JP2008172434A - Solid-state imaging apparatus, driving method thereof, and camera system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、行単位の画素のデータを保持する複数の保持部を備える固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステムに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof, and more particularly to a solid-state imaging device including a plurality of holding units that hold pixel data in units of rows, a driving method thereof, and a camera system.
固体撮像装置としては、CCD型固体撮像装置(CCDイメージセンサ)とMOS型固体撮像装置(MOSイメージセンサ)とが知られている。MOS型固体撮像装置は、CCD型固体撮像装置に比べ高速な画像出力が可能であるため、近年、MOS型固体撮像装置が注目されている。 Known solid-state imaging devices include a CCD solid-state imaging device (CCD image sensor) and a MOS solid-state imaging device (MOS image sensor). Since MOS solid-state imaging devices can output images at a higher speed than CCD solid-state imaging devices, MOS solid-state imaging devices have recently attracted attention.
以下、従来のMOS型固体撮像装置について説明する。
図9及び図10は、従来のMOS型固体撮像装置のデータ出力方式を模式的に示す図である。
A conventional MOS type solid-state imaging device will be described below.
9 and 10 are diagrams schematically illustrating a data output method of a conventional MOS type solid-state imaging device.
MOS型固体撮像装置は、行方向及び列方向に二次元状に配列された複数の画素を含む画素アレイ領域101と、各列の画素に共通であり、1行分の画素のデータを保持する保持部102と、保持部102が保持するデータが出力される水平信号線311とを備える。
The MOS type solid-state imaging device is common to the
まず、画素アレイ領域101のn(1以上の整数)行目の1行分の画素の信号が一括して保持部102に転送され、保持部102に保持される(S101)。この動作には、リセット状態の画素の出力電圧であるリセット電圧と、画素が光電変換した電気信号である光電変換信号との差分を取るいわゆる相関二重サンプル動作(CDS)も含まれる。保持部102への信号の転送が完了すると、保持部102に保持されるデータが1画素分ずつ水平信号線311へ読み出される(S102)。例えば、1画素のデータを水平信号線311に読み出す動作に要する時間をT50とし、画素アレイ領域101に含まれる列の数をP_horiとすると、1行分の画素が水平信号線311に読み出される時間T_read=T50×P_horiとなる。保持部102に保持されるn行目の1行分の画素の信号を全て読み出し終えると、n+1行目の画素の信号が一括して保持部102に転送され(S101)、転送されたn+1行目の画素のデータが読み出される(S102)。
First, the signals of pixels for one row in the n (an integer greater than or equal to 1) row of the
上記一括転送動作(S101)及び読み出し動作(S102)を全ての行に対して繰り返し行うことで、全ての画素の信号が読み出される。 By repeating the batch transfer operation (S101) and the readout operation (S102) for all the rows, signals of all the pixels are read out.
また、1行分の画素の画像出力に要する時間は、一括転送(S101)に要する時間T_transと、読み出しに要する時間T_readの和となる。 Further, the time required to output the image of the pixels for one row is the sum of the time T_trans required for batch transfer (S101) and the time T_read required for reading.
以下、従来のMOS型固体撮像装置について、詳細に説明する。
図11は、従来のMOS型固体撮像装置の回路構成を示す図である。
Hereinafter, a conventional MOS solid-state imaging device will be described in detail.
FIG. 11 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional MOS type solid-state imaging device.
図11に示す従来のMOS型固体撮像装置500は、画素アレイ領域101と、保持部102と、負荷トランジスタ領域103と、一括転送パルス発生部104と、読み出しパルス発生部105と、水平信号線311とを備える。
11 includes a
画素アレイ領域101は、複数の画素111、112、113、121、122、123、131、132及び133と、垂直信号線301、302及び303とを備える。なお、図11においては、説明の簡略化のため3行×3列の画素が配置された例を示す。
The
複数の画素111、112、113、121、122、123、131、132及び133は、行方向及び列方向に二次元状に配置される。画素アレイ領域101の各列の画素は、複数の垂直信号線301、302及び303にそれぞれ接続される。複数の画素111、112、113、121、122、123、131、132及び133は、光を電気信号に変換し、電気信号を接続される垂直信号線301、302及び303に出力する。
The plurality of
垂直信号線301、302及び303は、各列の複数の画素に変換された電気信号をそれぞれ伝送する。
The
複数の画素111、112、113、121、122、123、131、132及び133は同一の構造であり、以下、一例として画素111の構造を説明する。
The plurality of
画素111は、フォトダイオードpd11と、転送トランジスタm111と、リセットトランジスタm112と、増幅トランジスタm113とを備える。
The
フォトダイオードpd11は、光を信号電荷に変換し蓄積する。転送トランジスタm111は、フォトダイオードpd11に蓄積された信号電荷を転送トランジスタm111のドレインであるフローティングディフュージョン(以下、「FD」と称す。)に転送し、蓄積する。リセットトランジスタm112は、FDに蓄積された信号電荷をリセットする。増幅トランジスタm113は、FDに蓄積された信号電荷を増幅し、電気信号を垂直信号線301に出力する。
The photodiode pd11 converts light into signal charges and accumulates them. The transfer transistor m111 transfers the signal charge accumulated in the photodiode pd11 to a floating diffusion (hereinafter referred to as “FD”) that is the drain of the transfer transistor m111, and accumulates it. The reset transistor m112 resets the signal charge accumulated in the FD. The amplification transistor m113 amplifies the signal charge accumulated in the FD and outputs an electric signal to the
保持部102は、複数の画素が光電変換した1行分の画素に対応するデータを一時的に保持する。具体的には、保持部102は、各列の画素のリセット電圧と画素が光電変換した電気信号との差分をデータとして保持する。保持部102が保持する1行分の電気信号は、共通の水平信号線311に接続される。
The
保持部102は、各列に対応する複数の保持回路114、124及び134を備える。保持回路114、124及び134の構成は同一であり、以下、保持回路114について説明する。
The
保持回路114は、サンプルスイッチm015と、ホールドスイッチm016と、列選択スイッチm017と、サンプル容量c011と、ホールド容量c012とを備える。
The
サンプルスイッチm015のゲートはサンプルパルス線NCSH1に接続され、ソース/ドレインの一方は垂直信号線301に接続され、ソース/ドレインの他方はサンプル容量c011の一端に接続される。サンプル容量c011の他端はホールドスイッチm016のドレインに接続される。ホールドスイッチm016のゲートはクランプパルス線NCCL1に接続され、ソースはホールド電圧線CLDCNC1に接続される。ホールド容量c012は、ホールドスイッチm016のドレインとGNDとの間に接続される。列選択スイッチm017のゲートは列選択線SL01に接続され、ソース/ドレインの一方はサンプルスイッチm015のドレインに接続され、ソース/ドレインの他方は水平信号線311に接続される。
The gate of the sample switch m015 is connected to the sample pulse line NCSH1, one of the source / drain is connected to the
負荷トランジスタ領域103は、各垂直信号線301、302及び303に接続される負荷トランジスタm014、m024及びm034を備える。負荷トランジスタm014、m024及びm034は、垂直信号線301、302及び303に定電流を供給する。
The
一括転送パルス発生部104は、画素アレイ領域101に含まれる行単位の画素を垂直信号線301、302及び303に駆動する制御信号を出力する。
The collective
読み出しパルス発生部105は、保持部102が保持するデータを水平信号線311に1列毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。
The read
次に、従来の固体撮像装置500の動作を説明する。
図12は、従来の固体撮像装置500における制御信号のタイミングチャートである。なお、図12において画素111、121及び131の1行分のデータを読み出す動作を示す。なお、画素111、121及び131の動作は、同様であり、以下に1例として画素111の動作を説明する。
Next, the operation of the conventional solid-
FIG. 12 is a timing chart of control signals in the conventional solid-
期間T51において、1行分の画素のデータが読み出され、保持部102に保持される。期間T52において、期間T51において読み出されたデータが順次、水平信号線311に出力される。
In the period T <b> 51, pixel data for one row is read and held in the
期間T51において、まず、リセット線RS1がアクティブとなり、リセットトランジスタm112がオンする。これにより、FDに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線NCSH1及びクランプパルス線NCCL1がアクティブとなり、ホールド電圧線CLDCNC1にホールド電圧cldcncが印加される。これにより、サンプルスイッチm015及びホールドスイッチm016がオンし、サンプル容量c011に、リセット時の垂直信号線301の電圧であるリセット電圧vrstが印加され、ホールド容量c012にホールド電圧cldcncが印加される。
In the period T51, first, the reset line RS1 becomes active, and the reset transistor m112 is turned on. Thereby, the signal charge accumulated in the FD is reset. At this time, the sample pulse line NCSH1 and the clamp pulse line NCCL1 become active, and the hold voltage cldcnc is applied to the hold voltage line CLDCNC1. As a result, the sample switch m015 and the hold switch m016 are turned on, the reset voltage vrst, which is the voltage of the
次に、リセットトランジスタm112がオフし、転送トランジスタm111がオンする。これにより、フォトダイオードpd11に蓄積された信号電荷がFDに転送される。増幅トランジスタm113は、転送されたFDの信号電荷を増幅し、光電変換信号vsigを垂直信号線301に出力する。この際、ホールドスイッチm016がオフされ、リセット電圧vrstと光電変換信号vsigとの差分信号(cldcnc−(vrst−vsig))がホールド容量c012に保持される。
Next, the reset transistor m112 is turned off and the transfer transistor m111 is turned on. Thereby, the signal charge accumulated in the photodiode pd11 is transferred to the FD. The amplification transistor m113 amplifies the transferred FD signal charge and outputs the photoelectric conversion signal vsig to the
次に、サンプルスイッチm015がオフされる。また、リセットトランジスタm112がオンされ、FDを低電位にし、読み出した行の増幅トランジスタm113を非選択にする。 Next, the sample switch m015 is turned off. Further, the reset transistor m112 is turned on, the FD is set to a low potential, and the amplification transistor m113 in the read row is not selected.
また、画素121及び131に対しても、画素111と同様の動作が行われる。以上の動作により、画素111、121及び131のデータが保持部102に保持される。
Further, the same operation as that of the
画素111、121及び131のデータが保持部102に保持された後に、列選択スイッチm017、m027及びm037が順次オンされる。これにより、各保持回路114、124及び134に保持されるデータが順次水平信号線311に読み出される。
After the data of the
上記動作を全ての行について行うことで全画素信号を読み出すことができる。ここで、画素数の増加に伴い、全画素のデータを読み出すのに必要な時間も増える。また、一括転送時に駆動する画素数が増加するので、行選択線TX1、TX2、TX3、リセット線RS1、RS2及びRS3に寄生する抵抗及び容量も増加する。これにより、T_transも増加する。また、一括転送に要する時間T_transを無理に短縮すると、列間の固定パターンノイズが増加するため、撮像素子に求められる画質を満足できなくなる。 All pixel signals can be read by performing the above operation for all rows. Here, as the number of pixels increases, the time required to read data of all pixels also increases. In addition, since the number of pixels to be driven at the time of batch transfer increases, the resistance and capacitance parasitic on the row selection lines TX1, TX2, TX3 and the reset lines RS1, RS2, and RS3 also increase. As a result, T_trans also increases. Further, if the time T_trans required for batch transfer is forcibly shortened, fixed pattern noise between columns increases, so that the image quality required for the image sensor cannot be satisfied.
ここで、1行分の画素のデータを保持部102に一括転送する動作に要する時間をT_transとし、保持部102から水平信号線311へのデータの読み出しに要する時間をT_readとし、画素アレイ領域101に含まれる画素の行数をP_vertとすると、画素アレイ領域101に含まれる全ての画素のデータを読み出すのに必要な時間は、(T_trans + T_read) × P_vertとなる。すなわち、画素数が増加すると全ての画素のデータを読み出す時間も増加する。
Here, T_trans is a time required to collectively transfer pixel data of one row to the holding
一方、2つの保持部102を備えることにより、一括転送動作と読み出し動作とを並列で行う固体撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1記載の固体撮像装置は、一方の保持部102に対して画素の信号を転送している間に、他方の保持部102が保持するデータを読み出すことで、高速な画像出力を実現する。
しかしながら、特許文献1記載の従来の固体撮像装置は、一括転送動作とデータ読み出し動作とを同時に行うことにより、一括転送動作が読み出し動作に影響を与える。また、読み出し動作が一括転送動作に影響を与える。これにより、ノイズが信号に乗ってしまい、画質が悪化するという問題がある。
However, in the conventional solid-state imaging device described in
前記課題に鑑み、本発明は、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得る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。 In view of the above problems, the present invention provides a solid-state imaging device capable of achieving high-speed image output and obtaining high-quality images with reduced noise by performing batch transfer operations and read operations in parallel. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第1保持手段と、前記画素アレイ領域を挟むように、前記第1保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第2保持手段と、前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第1出力手段と、前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第2出力手段とを備える。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion elements that convert light into electric signals are arranged in a two-dimensional manner in a row direction and a column direction, and a row. A first holding unit that holds an electric signal converted by a unit photoelectric conversion element, and the first holding unit so as to sandwich the pixel array region, and is converted by a row unit photoelectric conversion element; A second holding means for holding the electric signal, a first output means for outputting the electric signal held by the first holding means to the outside, and an electric signal held by the second holding means for the outside. Second output means.
この構成によれば、第1保持手段及び第2保持手段を備えることにより、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高速な画像出力を実現することができる。 According to this configuration, by providing the first holding means and the second holding means, the operation of batch-transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the first holding means; 2 The operation of reading the electrical signal held in the holding means to the outside can be performed in parallel. In addition, the operation of transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the second holding unit and the operation of reading the electric signals held in the first holding unit to the outside are performed in parallel. It can be carried out. Therefore, the solid-state imaging device according to the present invention can realize high-speed image output.
さらに、第1保持手段と第2保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第1保持手段及び第2保持手段の一方に一括転送する動作と、第1保持手段及び第2保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高画質な画像を撮像することができる。 Further, the first holding unit and the second holding unit are arranged so as to sandwich the pixel array region. Thereby, an operation of collectively transferring the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to one of the first holding unit and the second holding unit, and an operation of reading the electrical signal held by the other of the first holding unit and the second holding unit When the above and the like are performed in parallel, it is possible to suppress noise generated by affecting each other. Therefore, the solid-state imaging device according to the present invention can capture a high-quality image.
また、行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第2保持手段に転送される動作と並列に、前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力し、行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第1保持手段に転送される動作と並列に、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力してもよい。 In parallel with the operation in which the electric signal converted by the photoelectric conversion element in units of rows is transferred to the second holding means, the first output means sends the electric signal held in the first holding means to the outside. In parallel with the operation in which the electric signal output and converted by the photoelectric conversion element in units of rows is transferred to the first holding means, the second output means externally transmits the electric signal held in the second holding means. May be output.
この構成によれば、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高速な画像出力を実現することができる。 According to this configuration, the operation of batch-transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding them in the first holding means, and the operation of reading out the electric signals held in the second holding means to the outside And in parallel. In addition, the operation of transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the second holding unit and the operation of reading the electric signals held in the first holding unit to the outside are performed in parallel. Do. Therefore, the solid-state imaging device according to the present invention can realize high-speed image output.
また、前記固体撮像装置は、さらに、各列の複数の光電変換素子に変換された電気信号をそれぞれ伝送する複数の垂直信号線と、前記複数の垂直信号線の一端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第1保持手段に保持するか否かを選択する第1スイッチ素子と、前記複数の垂直信号線の他端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第2保持手段に保持するか否かを選択する第2スイッチ素子とを備えてもよい。 Further, the solid-state imaging device is further connected to a plurality of vertical signal lines that respectively transmit electrical signals converted into a plurality of photoelectric conversion elements in each column, and one end of the plurality of vertical signal lines, A first switch element for selecting whether or not to hold the electric signal in units of rows transmitted to the vertical signal line in the first holding means, and the other end of the plurality of vertical signal lines connected to the plurality of vertical signal lines. A second switch element that selects whether or not to hold the electric signal in units of rows transmitted to the signal line in the second holding means may be provided.
この構成によれば、第1保持手段及び第2保持手段が画素アレイ領域を挟むように配置されるので、例えば、読み出し動作時に第1出力手段及び第2出力手段に印加される高速パルスに起因する、垂直信号線への影響を低減することができる。これにより、第1保持手段及び第2保持手段が保持する電気信号に対する影響を低減することができる。 According to this configuration, since the first holding unit and the second holding unit are arranged so as to sandwich the pixel array region, for example, due to the high-speed pulse applied to the first output unit and the second output unit during the read operation Thus, the influence on the vertical signal line can be reduced. Thereby, the influence with respect to the electrical signal which a 1st holding means and a 2nd holding means hold | maintain can be reduced.
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第1出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第1水平信号線と、前記第2出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第2水平信号線とを備えてもよい。 The solid-state imaging device may further include a plurality of first horizontal signal lines that transmit the electrical signal output by the first output means and a plurality of first signals that transmit the electrical signal output by the second output means. Two horizontal signal lines may be provided.
この構成によれば、第1出力手段及び第2出力手段が、それぞれ複数の水平信号線に並列に電気信号を出力することで、データの読み出し時間を短縮することができる。 According to this configuration, the first output unit and the second output unit each output an electric signal in parallel to a plurality of horizontal signal lines, so that the data read time can be shortened.
また、前記第1保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第2保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力してもよい。 The first holding unit holds a plurality of row-unit electrical signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements, and the second holding unit stores a plurality of rows converted by the row-unit photoelectric conversion elements. An electric signal of a unit is held, the first output unit mixes and outputs an electric signal of a plurality of row units held in the first holding unit, and the second output unit outputs the second holding unit A plurality of row-wise electrical signals held by the means may be mixed and output to the outside.
この構成によれば、複数の画素信号を混合し出力することができる。
また、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第2保持手段に転送される動作と並列に、前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第1保持手段に転送される動作と並列に、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力してもよい。
According to this configuration, a plurality of pixel signals can be mixed and output.
Further, in parallel with the operation of transferring the electrical signals converted by the plurality of row-unit photoelectric conversion elements to the second holding means, the first output means has a plurality of rows held by the first holding means. In parallel with the operation in which the electric signals of the unit are mixed and output to the outside, and the electric signals converted by the plurality of row photoelectric conversion elements are transferred to the first holding means, the second output means 2 A plurality of row-unit electrical signals held by the holding means may be output to the outside.
この構成によれば、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置は、画素混合を行った画像信号を高速に出力することができる。 According to this configuration, a plurality of row-unit electric signals photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements are collectively transferred and held in the first holding unit, and a plurality of row-unit electric signals held in the second holding unit are stored. The operation of mixing electrical signals and reading them out is performed in parallel. Also, a plurality of row unit electrical signals photoelectrically converted by a plurality of photoelectric conversion elements are transferred together and held in the second holding unit, and a plurality of row unit electrical signals held in the first holding unit are mixed. Then, the reading operation to the outside is performed in parallel. Therefore, the solid-state imaging device according to the present invention can output an image signal subjected to pixel mixing at high speed.
また、前記第1保持手段は、前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第1CDS回路を備え、前記第1保持手段は、前記第1CDS回路が出力する差分を保持し、前記第2保持手段は、前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第2CDS回路を備え、前記第2保持手段は、前記第2CDS回路が出力する差分を保持してもよい。 The first holding unit outputs a difference between a reset voltage, which is a potential corresponding to a reset state of the photoelectric conversion element transmitted through the vertical signal line, and an electric signal converted by the photoelectric conversion element. The first holding means holds a difference output from the first CDS circuit, and the second holding means has a potential corresponding to a reset state of the photoelectric conversion element transmitted through the vertical signal line. A second CDS circuit that outputs a difference between a certain reset voltage and an electric signal converted by the photoelectric conversion element may be provided, and the second holding unit may hold the difference output from the second CDS circuit.
また、前記画素アレイ領域、前記第1保持手段、及び前記第2保持手段は、半導体基板に形成され、前記半導体基板において、前記画素アレイ領域と、前記第1保持手段が形成される領域と、前記第2保持手段が形成される領域とは、それぞれ電気的に分離されてもよい。 Further, the pixel array region, the first holding unit, and the second holding unit are formed on a semiconductor substrate, and in the semiconductor substrate, the pixel array region and a region where the first holding unit is formed; The region where the second holding means is formed may be electrically separated from each other.
この構成によれば、一括転送動作により垂直信号線を流れる電流が、水平信号線に及ぼす影響を抑制することができる。 According to this configuration, it is possible to suppress the influence of the current flowing through the vertical signal line by the batch transfer operation on the horizontal signal line.
また、本発明に係るカメラシステムは、前記固体撮像装置を備える。
この構成によれば、第1保持手段及び第2保持手段を備えることにより、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。よって、本発明に係るカメラシステムは、高速な画像出力を実現することができる。
A camera system according to the present invention includes the solid-state imaging device.
According to this configuration, by providing the first holding means and the second holding means, the operation of batch-transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the first holding means; 2 The operation of reading the electrical signal held in the holding means to the outside can be performed in parallel. In addition, the operation of transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the second holding unit and the operation of reading the electric signals held in the first holding unit to the outside are performed in parallel. It can be carried out. Therefore, the camera system according to the present invention can realize high-speed image output.
さらに、第1保持手段と第2保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第1保持手段及び第2保持手段の一方に一括転送する動作と、第1保持手段及び第2保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係るカメラシステムは、高画質な画像を撮像することができる。 Further, the first holding unit and the second holding unit are arranged so as to sandwich the pixel array region. Thereby, an operation of collectively transferring the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to one of the first holding unit and the second holding unit, and an operation of reading the electrical signal held by the other of the first holding unit and the second holding unit When the above and the like are performed in parallel, it is possible to suppress noise generated by affecting each other. Therefore, the camera system according to the present invention can capture a high-quality image.
また、本発明の係る固体撮像装置の駆動方法は、行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第1保持手段と、前記画素アレイ領域を挟むように、前記第1保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第2保持手段と、前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第1出力手段と、前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第2出力手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第2保持手段に転送する動作と、前記第1出力手段が前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第1ステップと、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第1保持手段に転送する動作と、前記第2出力手段が前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第2ステップとを含む。 The solid-state imaging device driving method according to the present invention includes a pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion elements that convert light into an electric signal are arranged two-dimensionally in a row direction and a column direction, and a photoelectric unit in a row unit. A first holding unit that holds an electric signal converted by the conversion element, and an electric signal that is arranged facing the first holding unit so as to sandwich the pixel array region and is converted by a photoelectric conversion element in units of rows. Second holding means for holding the output, first output means for outputting the electric signal held by the first holding means to the outside, and second output for outputting the electric signal held by the second holding means to the outside A solid-state image pickup device driving method comprising: an operation of transferring an electric signal converted by a photoelectric conversion element in a row unit to the second holding unit; and the first output unit serving as the first holding unit. External electrical signal to be retained A first step of performing an output operation in parallel; an operation of transferring an electric signal converted by a photoelectric conversion element in units of rows to the first holding unit; and the second output unit holding the second holding unit in the second holding unit And a second step of performing in parallel the operation of outputting the electrical signal to be output to the outside.
これによれば、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、高速な画像出力を実現することができる。 According to this, the operation of batch-transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding them in the first holding means, and the operation of reading out the electric signals held in the second holding means to the outside In parallel. In addition, the operation of transferring the electric signals in units of rows photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding the electric signals in the second holding unit and the operation of reading the electric signals held in the first holding unit to the outside are performed in parallel. Do. Therefore, the solid-state imaging device driving method according to the present invention can realize high-speed image output.
さらに、第1保持手段と第2保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第1保持手段及び第2保持手段の一方に一括転送する動作と、第1保持手段及び第2保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、高画質な画像を撮像することができる。 Further, the first holding unit and the second holding unit are arranged so as to sandwich the pixel array region. Thereby, an operation of collectively transferring the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to one of the first holding unit and the second holding unit, and an operation of reading the electrical signal held by the other of the first holding unit and the second holding unit When the above and the like are performed in parallel, it is possible to suppress noise generated by affecting each other. Therefore, the driving method of the solid-state imaging device according to the present invention can capture a high-quality image.
また、前記第1保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第2保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、前記第1ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第2保持手段に転送する動作と、前記第1出力手段が前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する動作とを並列に行い、前記第2ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第1保持手段に転送する動作と、前記第2出力手段が前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する動作とを並列に行ってもよい。 The first holding unit holds a plurality of row-unit electrical signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements, and the second holding unit stores a plurality of rows converted by the row-unit photoelectric conversion elements. The first output means mixes and outputs a plurality of row-unit electric signals held in the first holding means, and the second output means outputs the second holding means to the second holding means. A plurality of row-by-row electric signals are mixed and output, and in the first step, the electric signals converted by the plurality of row-unit photoelectric conversion elements are transferred to the second holding means; One output means performs a parallel operation of mixing a plurality of row-unit electric signals held in the first holding means and outputting them to the outside. In the second step, conversion is performed by a plurality of row-unit photoelectric conversion elements. The transferred electrical signal is transferred to the first holding means. An act of the operation and that the second output means for outputting an electric signal of a plurality of row units held by the second holding means to the outside may be performed in parallel.
これによれば、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第1保持手段に保持する動作と、第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第2保持手段に保持する動作と、第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、画素混合を行った画像信号を高速に出力することができる。 According to this, the operation of collectively transferring a plurality of row-unit electric signals photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion elements and holding them in the first holding means, and the plurality of row-unit electric signals held in the second holding means. The operation of mixing the signals and reading them out is performed in parallel. Also, a plurality of row unit electrical signals photoelectrically converted by a plurality of photoelectric conversion elements are transferred together and held in the second holding unit, and a plurality of row unit electrical signals held in the first holding unit are mixed. Then, the reading operation to the outside is performed in parallel. Therefore, the driving method of the solid-state imaging device according to the present invention can output the image signal subjected to pixel mixing at high speed.
本発明は、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ることができる固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステムを提供することができる。 The present invention realizes high-speed image output by performing a batch transfer operation and a read operation in parallel, and can obtain a high-quality image with reduced noise, a driving method thereof, and a camera system Can be provided.
以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Embodiments of a solid-state imaging device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置は、2つの保持部を画素アレイ領域の上下に配置する。これにより、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ることができる。
(Embodiment 1)
In the solid-state imaging device according to
まず、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図11と同様の要素には同一の符号を付している。
First, the configuration of the solid-state imaging device according to
1 is a diagram illustrating a circuit configuration of a solid-state imaging device according to
図1に示す固体撮像装置100は、画素アレイ領域101と、保持部102及び202と、負荷トランジスタ領域103及び203と、一括転送パルス発生部104と、読み出しパルス発生部105及び205と、水平信号線311及び312とを備える。
A solid-
画素アレイ領域101は、複数の画素111、112、121、122、131及び132と、複数の垂直信号線301、302及び303とを備える。なお、図1においては、説明の簡略化のため2行×3列の画素が配置された例を示す。
The
複数の画素111、112、121、122、131及び132は、行方向及び列方向に二次元状に配置される。画素アレイ領域101の各列の画素は、複数の垂直信号線301、302及び303にそれぞれ接続される。複数の画素111、112、121、122、131及び132は、光を電気信号に変換し、電気信号を接続される垂直信号線301、302及び303に出力する。
The plurality of
垂直信号線301、302及び303は、各列の複数の画素に変換された電気信号をそれぞれ伝送する。
The
複数の画素111、112、121、122、131及び132は、同一の構造であり、以下、一例として画素111の構造を説明する。画素111は、フォトダイオードpd11と、転送トランジスタm111と、リセットトランジスタm112と、増幅トランジスタm113とを備える。
The plurality of
フォトダイオードpd11は、光を信号電荷に変換し蓄積する。フォトダイオードpd11は、アノード側が接地され、カソード側が転送トランジスタm111のソースに接続される。 The photodiode pd11 converts light into signal charges and accumulates them. The photodiode pd11 has the anode side grounded and the cathode side connected to the source of the transfer transistor m111.
転送トランジスタm111は、フォトダイオードpd11に蓄積された信号電荷をFD(転送トランジスタm111のドレイン)に、転送し、蓄積する。転送トランジスタm111のゲートは、行選択線TX1に接続される。 The transfer transistor m111 transfers the signal charge accumulated in the photodiode pd11 to the FD (drain of the transfer transistor m111) and accumulates it. The gate of the transfer transistor m111 is connected to the row selection line TX1.
リセットトランジスタm112は、FDに蓄積された信号電荷をリセットする。リセットトランジスタm112のゲートは、リセット線RS1に接続され、ドレインは転送トランジスタm111のドレインに接続され、ソースは電源に接続される。 The reset transistor m112 resets the signal charge accumulated in the FD. The gate of the reset transistor m112 is connected to the reset line RS1, the drain is connected to the drain of the transfer transistor m111, and the source is connected to the power supply.
増幅トランジスタm113は、FDに蓄積された信号電荷を増幅し、電気信号を垂直信号線301に出力する。増幅トランジスタm113のゲートは転送トランジスタm111のドレインに接続され、ドレインは垂直信号線301に接続され、ソースは電源に接続される。
The amplification transistor m113 amplifies the signal charge accumulated in the FD and outputs an electric signal to the
転送トランジスタm111、リセットトランジスタm112及び増幅トランジスタm113は、例えば、MOSトランジスタである。 The transfer transistor m111, the reset transistor m112, and the amplification transistor m113 are, for example, MOS transistors.
保持部102は、画素アレイ領域101の一方(図1の下方向)に配置される。保持部202は、画素アレイ領域101の他方(図1の上方向)に配置される。すなわち、保持部202は、画素アレイ領域101を挟むように、保持部102と対向して配置される。
The holding
保持部102及び202は、複数の画素が光電変換した1行分の電気信号を一時的に保持する。具体的には、保持部102及び202は、各列の画素のリセット状態に出力される電圧であるリセット電圧と、画素が光電変換した電気信号である光電変換信号との差分を各画素に対応するデータとして保持する。
The holding
保持部102は、保持するデータを順次、共通の水平信号線311に出力する。保持部202は、保持するデータを順次、共通の水平信号線312に出力する。
The holding
保持部102は、保持部202が保持部202に保持される1行分のデータを水平信号線311に出力する動作と並列に、複数の画素により光電変換された1行分の電気信号を保持する。保持部202は、保持部102が保持部102に保持される1行分のデータを外部に出力する動作と並列に、複数の画素により光電変換された1行分の電気信号を保持する。
The holding
保持部102は、各列に対応する複数の保持回路114、124及び134を備える。保持部202は、各列に対応する複数の保持回路214、224及び234を備える。保持回路114、124、134、214、224及び234の構成は同一であり、以下、保持回路114について説明する。
The holding
保持回路114は、1つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持する。また、保持回路114は、垂直信号線301を伝送される画素のリセット状態に対応する電圧であるリセット電圧と、該画素が変換した電気信号である光電変換信号との差分を出力するCDSを行うCDS回路を含む。保持回路114は、CDS回路が出力する差分を各画素に対応するデータとして保持する。
The holding
保持回路114は、サンプルスイッチm015と、ホールドスイッチm016と、列選択スイッチm017と、サンプル容量c011と、ホールド容量c012とを備える。サンプルスイッチm015、ホールドスイッチm016及び列選択スイッチm017は、例えば、MOSトランジスタである。
The holding
サンプルスイッチm015は、垂直信号線301に伝送された電気信号を保持回路114に保持するか否かを選択する。サンプルスイッチm015のゲートはサンプルパルス線NCSH1に接続され、ソース/ドレインの一方は垂直信号線301に接続され、ソース/ドレインの他方はサンプル容量c011の一端に接続される。
The sample switch m015 selects whether to hold the electric signal transmitted to the
サンプル容量c011及びホールドスイッチm016により、CDS回路が構成される。サンプル容量c011の他端はホールドスイッチm016のドレインに接続される。ホールドスイッチm016のゲートはクランプパルス線NCCL1に接続され、ソースはホールド電圧線CLDCNC1に接続される。 The sample capacitor c011 and the hold switch m016 constitute a CDS circuit. The other end of the sample capacitor c011 is connected to the drain of the hold switch m016. The gate of the hold switch m016 is connected to the clamp pulse line NCCL1, and the source is connected to the hold voltage line CLDCNC1.
ホールド容量c012は、1つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持するための容量である。ホールド容量c012は、ホールドスイッチm016のドレインとGNDとの間に接続される。 The hold capacitor c012 is a capacitor for holding data corresponding to the electrical signal photoelectrically converted by one pixel. The hold capacitor c012 is connected between the drain of the hold switch m016 and GND.
列選択スイッチm017は、ホールド容量c012に保持されるデータを水平信号線311に出力するか否かを選択するスイッチである。列選択スイッチm017のゲートは列選択線SL01に接続され、ソース/ドレインの一方はホールドスイッチm016のドレインに接続され、ソース/ドレインの他方は水平信号線311に接続される。
The column selection switch m017 is a switch for selecting whether or not the data held in the hold capacitor c012 is output to the
負荷トランジスタ領域103は、画素アレイ領域101の一方(図1の下方向)に配置される。負荷トランジスタ領域103は、各垂直信号線301、302及び303の一方(図1の下方向)に接続される負荷トランジスタm014、m024及びm034と、定電流用トランジスタm004とを備える。負荷トランジスタm014、m024及びm034は、垂直信号線301、302及び303に定電流を供給する。また、負荷トランジスタm014、m024及びm034は、全て定電流用トランジスタm004とカレントミラーとなる構造を有することで、垂直信号線301、302及び303に同一の定電流を供給する。
The
負荷トランジスタ領域203は、画素アレイ領域101の他方(図1の上方向)に配置される。すなわち、負荷トランジスタ領域203は、画素アレイ領域101を挟むように、負荷トランジスタ領域103と対向して配置される。負荷トランジスタ領域203は、各垂直信号線301、302及び303の他方(図1の上方向)に接続される負荷トランジスタm114、m124及びm134と、定電流用トランジスタm104とを備える。負荷トランジスタm114、m124及びm134は、垂直信号線301、302及び303に定電流を供給する。また、負荷トランジスタm114、m124及びm134は、全て定電流用トランジスタm104とカレントミラー構造を有することで、垂直信号線301、302及び303に同一の定電流を供給する。
The
一括転送パルス発生部104は、画素アレイ領域101に含まれる行単位の画素を垂直信号線301、302及び303に駆動する制御信号を出力する。具体的には、一括転送パルス発生部104は、画素アレイ領域101に含まれる1行の画素を選択する行選択信号を行選択線TX1及びTX2に出力する。また、一括転送パルス発生部104は、画素アレイ領域101に含まれる1行の画素をリセットするリセット信号をリセット線RS1及びRS2に出力する。
The collective
読み出しパルス発生部105は、保持部102が保持するデータを水平信号線311に1画素毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。具体的には、保持部102に保持されているデータのうち水平信号線311に読み出すデータを選択する列選択信号を列選択線SL01、SL02及びSL03に出力する。
The read
読み出しパルス発生部205は、保持部202が保持するデータを水平信号線312に1画素毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。具体的には、保持部202に保持されているデータのうち水平信号線312に読み出すデータを選択する列選択信号を列選択線SL11、SL12及びSL13に出力する。
The read
水平信号線311は、保持部102により出力されるデータを伝送する。水平信号線312は、保持部202により出力されるデータを伝送する。
The
このように、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100は、2つの保持部102と202とが、画素アレイ領域101を挟むように(図1における上下に)配置される。これにより、画素の信号を保持部102及び202の一方に一括転送する動作と、保持部102及び202の他方が保持するデータを読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。これにより、高画質な画像を撮像することができる。
Thus, in the solid-
図2は本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100の断面構造を模式的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the solid-
図2に示すように固体撮像装置100は、半導体基板400と、第1導電領域401と、第2導電領域402と、第3導電領域403とを含む。第1導電領域401、第2導電領域402及び第3導電領域403は、半導体基板400に形成される。また、第1導電領域401と第2導電領域402と第3導電領域403とは、電気的に分離される。画素アレイ領域101、負荷トランジスタ領域103及び203は、第1導電領域401に形成される。保持部102は、第2導電領域402に形成される。保持部202は、第3導電領域403に形成される。
As shown in FIG. 2, the solid-
ここで、一括転送動作時において、垂直信号線301、302及び303を短時間で出力電位まで引っ張るため、大電流が垂直信号線301、302及び303に流れる。特許文献1記載の従来の固体撮像装置では、垂直信号線301、302及び303に流れる電流が、近くを走る水平信号線311及び312にも影響を及ぼし、読み出し水平信号線311及び312に出力されたデータにノイズが発生する。
Here, during the batch transfer operation, since the
一方、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100では、画素アレイ領域101が形成される半導体基板の領域と、保持部102が形成される半導体基板の領域と、保持部202が形成される半導体基板の領域とが電気的に分離される。これにより、一括転送動作により垂直信号線301、302及び303を流れる電流が、水平信号線311及び312に及ぼす影響を抑制することができる。
On the other hand, in the solid-
次に、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100の動作を説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100の動作を示すタイミングチャートである。なお、図3において、n行目の画素に対応するリセット電圧をvrst(n)と表し、n行目の画素の光電変換信号をvsig(n)と表し、n行目の画素の一括転送動作時のホールド電圧をcldcnc(n)と表す。また、水平信号線311及び312に読み出されるn行目かつm列目の画素のデータをn_mと表す。
Next, the operation of the solid-
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the solid-
まず、期間T01において、画素アレイ領域101に含まれるn行目の1行分の画素(画素111、121、131)の信号が保持部102に一括転送される。また、期間T01において、保持部202に保持されているデータ(n−1行目の1行分の画素に対応するデータ)が水平信号線312に読み出される。
First, in a period T <b> 01, signals of pixels (
以下、期間T01におけるn行目の画素111、121及び131の信号を保持部102に一括転送する動作を説明する。
Hereinafter, an operation of collectively transferring the signals of the
まず、リセット線RS1がアクティブとなり、リセットトランジスタm112、m212及びm312がオンする。これにより、画素111、121及び131のFDに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線NCSH1及びクランプパルス線NCCL1がアクティブとなり、ホールド電圧線CLDCNC1にホールド電圧cldcnc(n)が印加される。これにより、サンプルスイッチm015、m025、m035、ホールドスイッチm016、m026及びm036がオンし、サンプル容量c011、c021及びc031に、リセット時の垂直信号線301の電圧であるリセット電圧vrst(n)が印加され、ホールド容量c012、c022及びc032にホールド電圧cldcnc(n)が印加される。
First, the reset line RS1 becomes active, and the reset transistors m112, m212, and m312 are turned on. Thereby, the signal charge accumulated in the FD of the
次に、リセット線RS1が非アクティブとなり、リセットトランジスタm112、m212及びm312がオフする。その後、行選択線TX1がアクティブとなり、転送トランジスタm111、m211及びm311がオンする。これにより、フォトダイオードpd11、pd21及びpd31に蓄積された信号電荷がそれぞれFDに転送される。 Next, the reset line RS1 becomes inactive, and the reset transistors m112, m212, and m312 are turned off. Thereafter, the row selection line TX1 becomes active, and the transfer transistors m111, m211 and m311 are turned on. Thereby, the signal charges accumulated in the photodiodes pd11, pd21, and pd31 are respectively transferred to the FD.
増幅トランジスタm113、m213及びm313は、転送されたFDの信号電荷をそれぞれ増幅し、光電変換信号vsig(n)を垂直信号線301、302及び303に出力する。この際、ホールドスイッチm016、m026及びm036はオフしており、リセット電圧vrst(n)と光電変換信号vsig(n)との差分信号(cldcnc(n)−(vrst(n)−vsig(n)))がホールド容量c012、c022及びc032に保持される。次に、サンプルスイッチm015、m025及びm035がオフされる。これにより、画素111で光電変換された信号に対応するデータが保持回路114に保持される。画素121で光電変換された信号に対応するデータが保持回路124に保持される。画素131で光電変換された信号に対応するデータが保持回路134に保持される。
The amplification transistors m113, m213, and m313 amplify the transferred FD signal charges, respectively, and output the photoelectric conversion signal vsig (n) to the
次に、リセットトランジスタm112、m212及び312がオンされ、FDが低電位になり、一括転送された行の画素の増幅トランジスタm113、m213及びm313が非選択になる。 Next, the reset transistors m112, m212, and 312 are turned on, the FD becomes a low potential, and the amplification transistors m113, m213, and m313 of the pixels in the row transferred in batch are deselected.
以上の動作により、n行目の画素111、121及び131のデータが一括転送され保持部102に保持される。
Through the above operation, the data of the
なお、期間T01において、垂直信号線301、302及び303を駆動する負荷トランジスタ領域103の負荷トランジスタm014、m024及びm034のゲート及びドレインに電圧印加が行われる。これにより、負荷トランジスタm014、m024及びm034は、垂直信号線301、302及び303に定電流を供給する。また、負荷トランジスタ領域203の負荷トランジスタm114、m124及びm134のゲート及びドレインに電圧印加が行われない。
Note that in the period T01, voltage is applied to the gates and drains of the load transistors m014, m024, and m034 in the
次に、期間T01における、保持部202に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
Next, an operation of reading data held in the holding
期間T01において、列選択線SL11、SL12及びSL13が順次アクティブとなり、列選択スイッチm117、m127及びm137が順次オンされる。これにより、各保持回路214、224及び234に保持されているデータn−1_1、n−1_2及びn−1_3が順次水平信号線312に読み出される。
In the period T01, the column selection lines SL11, SL12, and SL13 are sequentially activated, and the column selection switches m117, m127, and m137 are sequentially turned on. As a result, the data n-1_1, n-1_2, and n-1_3 held in the holding
以上のように、期間T01において、n行目の1行分の画素が光電変換した信号の保持部102への一括転送と、保持部202に保持されているn−1行目の1行分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 01, batch transfer to the holding
次に、期間T02において、画素アレイ領域101に含まれるn+1行目の1行分の画素(画素112、122、132)のデータが保持部202に一括転送される。また、期間T02において、期間T01において一括転送され保持部102に保持されているデータ(n行目の1行分の画素のデータ)が水平信号線311に読み出される。
Next, in a period T <b> 02, data of pixels (
以下、期間T02におけるn+1行目の画素112、122及び132の信号を保持部202に一括転送する動作を説明する。
Hereinafter, an operation of collectively transferring the signals of the
まず、リセット線RS2がアクティブとなり、リセットトランジスタm122、m222及びm322がオンする。これにより、画素112、122及び132のFDに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線NCSH2及びクランプパルス線NCCL2がアクティブとなり、ホールド電圧線CLDCNC2にホールド電圧cldcnc(n+1)が印加される。これにより、サンプルスイッチm115、m125、m135、ホールドスイッチm116、m126及びm136がオンし、サンプル容量c111、c121及びc131に、リセット時の垂直信号線301の電圧であるリセット電圧vrst(n+1)が印加され、ホールド容量c112、c122及びc132にホールド電圧cldcnc(n+1)が印加される。
First, the reset line RS2 becomes active, and the reset transistors m122, m222, and m322 are turned on. Thereby, the signal charge accumulated in the FD of the
次に、リセット線RS2が非アクティブとなり、リセットトランジスタm122、m222及びm322がオフする。その後、行選択線TX2がアクティブとなり、転送トランジスタm121、m221及びm321がオンする。これにより、フォトダイオードpd12、pd22及びpd32に蓄積された信号電荷がそれぞれFDに転送される。 Next, the reset line RS2 becomes inactive, and the reset transistors m122, m222, and m322 are turned off. Thereafter, the row selection line TX2 becomes active, and the transfer transistors m121, m221, and m321 are turned on. Thereby, the signal charges accumulated in the photodiodes pd12, pd22, and pd32 are respectively transferred to the FD.
増幅トランジスタm123、m223及びm323は、転送されたFDの信号電荷をそれぞれ増幅し、光電変換信号vsig(n+1)を垂直信号線301、302及び303に出力する。この際、ホールドスイッチm116、m126及びm136はオフしており、リセット電圧vrst(n+1)と光電変換信号vsig(n+1)との差分信号(cldcnc(n+1)−(vrst(n+1)−vsig(n+1)))がホールド容量c112、c122及びc132に保持される。次に、サンプルスイッチm115、m125及びm135がオフされる。これにより、画素112で光電変換された信号に対応するデータが保持回路214に保持される。画素122で光電変換された信号に対応するデータが保持回路224に保持される。画素132で光電変換された信号に対応するデータが保持回路234に保持される。
The amplification transistors m123, m223, and m323 amplify the transferred signal charges of the FD, respectively, and output the photoelectric conversion signal vsig (n + 1) to the
次に、リセットトランジスタm122、m222及び322がオンされ、FDが低電位になり、一括転送された行の画素の増幅トランジスタm123、m223及びm323が非選択になる。 Next, the reset transistors m122, m222, and 322 are turned on, the FD becomes a low potential, and the amplification transistors m123, m223, and m323 of the pixels in the row transferred in batch are deselected.
以上の動作により、n+1行目の画素112、122及び132のデータが一括転送され保持部202に保持される。
Through the above operation, the data of the
なお、期間T02において、垂直信号線301、302及び303を駆動する負荷トランジスタ領域203の負荷トランジスタm114、m124及びm134のゲート及びドレインに電圧印加が行われる。これにより、負荷トランジスタm114、m124及びm134は、垂直信号線301、302及び303に定電流を供給する。また、負荷トランジスタ領域103の負荷トランジスタm014、m024及びm034のゲート及びドレインに電圧印加が行われない。
In the period T02, voltage is applied to the gates and drains of the load transistors m114, m124, and m134 in the
次に、期間T02における、保持部102に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
Next, an operation of reading data held in the holding
期間T02において、列選択線SL01、SL02及びSL03が順次アクティブとなり、列選択スイッチm017、m027及びm037が順次オンされる。これにより、期間T01で一括転送され各保持回路114、124及び134に保持されているデータn_1、n_2及びn_3が順次水平信号線311に読み出される。
In the period T02, the column selection lines SL01, SL02, and SL03 are sequentially activated, and the column selection switches m017, m027, and m037 are sequentially turned on. As a result, the data n_1, n_2, and n_3 that are collectively transferred in the period T01 and held in the holding
以上のように、期間T02において、n+1行目の1行分の画素が光電変換した信号の保持部202への一括転送と、保持部102に保持されているn行目の1行分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 02, batch transfer to the holding
さらに、期間T01及び期間T02の動作を繰り返し行うことで、画素アレイ領域101に含まれる全ての画素の信号を水平信号線311又は312に読み出すことができる。
Further, by repeating the operations in the period T01 and the period T02, signals of all the pixels included in the
以上より、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100は、2つの保持部102及び202を備え、2つの保持部102及び202の一方に画素の信号を一括転送する動作と、保持部102及び202の他方が保持するデータの読み出し動作とを並列で行う。これにより、1行分の画像出力に要する時間(画素の信号の保持部102又は202への一括転送と保持部102又は202が保持するデータの読み出しとに要する時間)は、一括転送に要する時間T_trans及び読み出しに要する時間T_readのうち長い方の時間となる。通常、画素数が多い場合には、一括転送に要する時間T_transよりも読み出しに要する時間T_readの方が長いので、上述した期間T01及び期間T02の長さは、一括転送に要する時間T_transとなる。すなわち、一括転送に要する時間T_transを実質的にゼロにすることができる。よって、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100は、高速な画像出力を実現することができる。
As described above, the solid-
さらに、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100は、2つの保持部102と202とが、画素アレイ領域101を挟むように(図1における上下に)配置される。これにより、画素の信号を保持部102及び202の一方に一括転送する動作と、保持部102及び202の他方が保持するデータを読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。これにより、高画質な画像を撮像することができる。
Furthermore, in the solid-
また、特許文献1記載の従来の固体撮像装置では、データの読み出し時には高速パルスが列選択スイッチm017、m027及びm037に入力されるため、近くを走る垂直信号線301、302及び303に影響を与える。これにより、保持部102及び202に保持中のデータにノイズが発生するという問題がある。一方、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100は、2つの保持部102及び202を画素アレイ領域101の上下に配置することで、保持部102及び202が保持中のデータに与える影響を抑制することができる。
Further, in the conventional solid-state imaging device described in
また、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置100では、画素アレイ領域101が形成される半導体基板の領域と、保持部102が形成される半導体基板の領域と、保持部202が形成される半導体基板の領域とが電気的に分離される。これにより、一括転送動作により垂直信号線301、302及び303を流れる電流が、水平信号線311及び312に及ぼす影響を抑制することができる。
In the solid-
なお、上記説明では、簡単のため2行×3列の画素構成にしているが、これは画素数を限定するものではなく、いかなる画素数においても本発明を適用することができる。 In the above description, a pixel configuration of 2 rows × 3 columns is used for simplicity, but this does not limit the number of pixels, and the present invention can be applied to any number of pixels.
また、上記説明では、画素は選択トランジスタのない3つのトランジスタで構成されているが、選択トランジスタを含む4つのトランジスタで構成されてもよい。さらに、転送トランジスタを含まない、非破壊読み出しが可能である3つのトランジスタで構成されてもよい。 In the above description, the pixel is composed of three transistors without a selection transistor, but may be composed of four transistors including the selection transistor. Furthermore, it may be configured by three transistors that do not include a transfer transistor and can perform nondestructive reading.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置は、2つの保持部がそれぞれ複数の水平信号線に並列にデータを出力する。これにより、読み出し動作を高速に行うことができる。
(Embodiment 2)
In the solid-state imaging device according to
まず、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図4は、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図1と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
First, the configuration of the solid-state imaging device according to
FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of the solid-state imaging device according to
図4に示す固体撮像装置200は、保持部102が2つの水平信号線311及び313に接続され、保持部202が2つの水平信号線312及び314に接続されている点が、図1に示す実施の形態1に係る固体撮像装置100と異なる。なお、固体撮像装置200のそれ以外の構造は、図1に示す固体撮像装置100と同様である。
The solid-
水平信号線311及び313は、保持部102により出力されるデータを伝送する。水平信号線312及び314は、保持部202により出力されるデータを伝送する。
The
図4に示すように、例えば、保持部102の奇数列の画素に対応する列選択スイッチm017及びm037が水平信号線311に接続され、偶数列の画素に対応する列選択スイッチm027が水平信号線313に接続される。保持部202の奇数列の画素に対応する列選択スイッチm117及びm137が水平信号線312に接続され、偶数列の画素に対応する列選択スイッチm127が水平信号線314に接続される。
As shown in FIG. 4, for example, the column selection switches m017 and m037 corresponding to the odd-numbered columns of pixels of the holding
以上の構成により、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200は、保持部102及び202が保持する1行分の画素に対応するデータの2列分を同時に出力することができる。よって、読み出し動作を高速に行うことができる。
With the above configuration, the solid-
なお、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200の断面構造は、図2に示す実施の形態1に係る固体撮像装置100と同様であり、説明は省略する。
Note that the cross-sectional structure of the solid-
次に、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200の動作を説明する。
図5は、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200の動作を示すタイミングチャートである。なお、図5において、n行目の画素に対応するリセット電圧をvrst(n)と表し、n行目の画素の光電変換信号をvsig(n)と表し、n行目の画素の一括転送時のホールド電圧をcldcnc(n)と表す。また、水平信号線311及び312に読み出されるn行目かつm列目の画素のデータをn_mと表す。
Next, the operation of the solid-
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the solid-
まず、期間T11において、画素アレイ領域101に含まれるn行目の1行分の画素(画素111、121、131)のデータが保持部102に一括転送される。また、期間T11において、保持部202に保持されているデータ(n−1行目の1行分の画素のデータ)が水平信号線312及び314に読み出される。
First, in a period T <b> 11, data of pixels (
なお、期間T11における画素111、121及び131の信号を保持部102に一括転送する動作は、図3に示す期間T01の動作と同様であり説明は省略する。
Note that the operation of collectively transferring the signals of the
以下、期間T11における、保持部202に保持されているn−1行目の画素に対応するデータの読み出し動作を説明する。
Hereinafter, a reading operation of data corresponding to the pixel on the (n−1) th row held in the holding
期間T11において、列選択線SL11、SL12及びSL13のうち2つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線SL11及びSL12がアクティブとなり、次に列選択線SL13及びSL14(列選択線SL14は図示せず。)がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチm117及びm127がオンされ、次に、列選択スイッチm137及びm147(列選択スイッチm147は図示せず。)がオンされる。よって、保持回路214に保持されているデータn−1_1と、保持回路224に保持されているデータn−1_2とが並列に、水平信号線312及び314に読み出される。その後、2列毎のデータが順次、水平信号線312及び314に出力される。
In the period T11, two column selection lines among the column selection lines SL11, SL12, and SL13 are sequentially activated. Specifically, first, the column selection lines SL11 and SL12 are activated, and then the column selection lines SL13 and SL14 (the column selection line SL14 is not shown) are activated. As a result, the column selection switches m117 and m127 are first turned on, and then the column selection switches m137 and m147 (the column selection switch m147 is not shown) are turned on. Therefore, the data n-1_1 held in the holding
以上のように、期間T11において、n列目の1列分の画素が光電変換した信号の保持部102への一括転送と、保持部202に保持されているn−1列目の1列分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 11, batch transfer to the holding
次に、期間T12において、画素アレイ領域101に含まれるn+1行目の1行分の画素(画素112、122、132)のデータが保持部202に一括転送される。また、期間T12において、期間T11において一括転送され保持部102に保持されているデータ(n行目の1行分の画素のデータ)が水平信号線311に読み出される。
Next, in a period T <b> 12, data of pixels (
なお、期間T12における画素112、122及び132の信号を保持部202に一括転送する動作は、図3に示す期間T02の動作と同様であり説明は省略する。
Note that the operation of collectively transferring the signals of the
以下、期間T12における、保持部102に保持されているn行目の画素に対応するデータの読み出し動作を説明する。
Hereinafter, a data read operation corresponding to the pixel in the nth row held in the holding
期間T12において、列選択線SL01、SL02及びSL03のうち2つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線SL01及びSL02がアクティブとなり、次に列選択線SL03及びSL04(列選択線SL04は図示せず。)がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチm017及びm027がオンされ、次に、列選択スイッチm037及びm047(列選択スイッチm147は図示せず。)がオンされる。よって、保持回路114に保持されているデータn_1と、保持回路124に保持されているデータn_2とが並列に、水平信号線311及び313に読み出される。その後、2列毎のデータが順次、水平信号線311及び313に出力される。
In the period T12, two column selection lines among the column selection lines SL01, SL02, and SL03 are sequentially activated. Specifically, first, the column selection lines SL01 and SL02 are activated, and then the column selection lines SL03 and SL04 (the column selection line SL04 is not shown) are activated. As a result, the column selection switches m017 and m027 are first turned on, and then the column selection switches m037 and m047 (the column selection switch m147 is not shown) are turned on. Therefore, the data n_1 held in the holding
以上のように、期間T12において、n+1列目の1列分の画素が光電変換した信号の保持部202への一括転送と、保持部102に保持されているn列目の1列分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 12, batch transfer to the holding
さらに、期間T11及び期間T12の動作を繰り返し行うことで、画素アレイ領域101に含まれる全ての画素の信号を水平信号線311、312、313及び314に読み出すことができる。
Further, by repeating the operations in the period T11 and the period T12, signals of all pixels included in the
以上より、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200は、実施の形態1に係る固体撮像装置100と同様の効果を実現することができる。
As described above, the solid-
さらに、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置200は、2つの保持部102及び202が、それぞれ2つの水平信号線に並列にデータを出力することで、データの読み出し時間を1/2に短縮することができる。ここで、通常、一括転送の時間に比べデータの読み出し時間の方が長い。よって、データの読み出し時間が短縮されることにより、全画素の画像出力に要する時間は短くなる。すなわち、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置200は、更に高速な画像出力を実現することができる。
Furthermore, in the solid-
なお、上記説明では、2つの保持部102及び202に対して、それぞれ2本の水平信号線が接続されているが、面積の許す限り何本でも接続することは可能である。水平信号線の本数を増やすことで、データの読み出し時間を更に短縮することができる。
In the above description, two horizontal signal lines are connected to the two holding
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300は、2つの保持部がそれぞれ2行分の画素のデータを保持する。さらに、各保持部は、保持するデータを混合して出力する。
(Embodiment 3)
In the solid-
まず、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図6は、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図1と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
First, the configuration of the solid-state imaging device according to
FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of the solid-state imaging device according to
図6に示す固体撮像装置300は、保持部102及び202の構成が、図1に示す実施の形態1に係る固体撮像装置100と異なる。
The solid-
図6に示す保持部102及び202は、複数の画素により変換された2行分の画素に対応するデータを保持する。また、保持部102は、保持部102に保持される2行分のデータを混合し水平信号線311に出力する。保持部202は、保持部202に保持される2行分のデータを混合し水平信号線312に出力する。
The holding
保持部102は、各列に対応する複数の保持回路114、124及び134を備える。保持部202は、各列に対応する複数の保持回路214、224及び234を備える。保持回路114、124、134、214、224及び234の構成は同一であり、以下、保持回路114について説明する。
The holding
保持回路114は、サンプルスイッチm015と、ホールドスイッチm016と、列選択スイッチm017と、サンプル容量c011と、ホールド容量c012及びc013と、ホールド容量選択スイッチm018及びm019とを備える。なお、サンプルスイッチm015、ホールドスイッチm016、列選択スイッチm017、及びサンプル容量c011の構成は、実施の形態1及び実施の形態2と同様であり、説明は省略する。
The holding
ホールド容量選択スイッチm018及びm019は、例えば、MOSトランジスタである。ホールド容量選択スイッチm018のゲートはホールド容量選択線SWA1に接続され、ソース/ドレインの一方はホールド容量c012の一端に接続され、ソース/ドレインの他方はサンプル容量c011の他端(ホールドスイッチm016のドレイン)に接続される。ホールド容量選択スイッチm019のゲートはホールド容量選択線SWB1に接続され、ソース/ドレインの一方はホールド容量c013の一端に接続され、ソース/ドレインの他方はサンプル容量c011の他端(ホールドスイッチm016のドレイン)に接続される。 The hold capacitance selection switches m018 and m019 are, for example, MOS transistors. The gate of the hold capacitance selection switch m018 is connected to the hold capacitance selection line SWA1, one of the source / drain is connected to one end of the hold capacitance c012, and the other of the source / drain is the other end of the sample capacitance c011 (the drain of the hold switch m016) ). The gate of the hold capacitance selection switch m019 is connected to the hold capacitance selection line SWB1, one of the source / drain is connected to one end of the hold capacitance c013, and the other of the source / drain is the other end of the sample capacitance c011 (the drain of the hold switch m016) ).
ホールド容量c012は、ホールド容量選択スイッチm018のソース/ドレインの一方とGNDとの間に接続される。ホールド容量c013は、ホールド容量選択スイッチm019のソース/ドレインの一方とGNDとの間に接続される。ホールド容量c012及びホールド容量c013は、それぞれ1つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持するための容量である。 The hold capacitor c012 is connected between one of the source / drain of the hold capacitor selection switch m018 and GND. The hold capacitor c013 is connected between one of the source / drain of the hold capacitor selection switch m019 and GND. Each of the hold capacitor c012 and the hold capacitor c013 is a capacitor for holding data corresponding to an electrical signal photoelectrically converted by one pixel.
以上の構成により、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300は、ホールド容量選択スイッチm018及びm019を制御することにより、異なる2つの行の画素の信号を2つのホールド容量c012及びc013に保持することができる。
With the above configuration, the solid-
さらに、ホールド容量選択スイッチm018及びm019を共にオンした状態で読み出しを行うことにより、2つの画素の出力を混合することができる。さらに、2つの列選択スイッチm017及びm037と、2つのホールド容量選択スイッチm018及びm019とを同時にオンすることにより2行×2列の4画素の出力を混合することができる。 Furthermore, the output of the two pixels can be mixed by performing readout with both of the hold capacitance selection switches m018 and m019 turned on. Further, by simultaneously turning on the two column selection switches m017 and m037 and the two hold capacitance selection switches m018 and m019, the output of 4 pixels of 2 rows × 2 columns can be mixed.
なお、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300の断面構造は、図2に示す実施の形態1に係る固体撮像装置100と同様であり、説明は省略する。
Note that the cross-sectional structure of the solid-
次に、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300の動作を説明する。
図7は、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300の動作を示すタイミングチャートである。なお、図7において、n行目の画素に対応するリセット電圧をvrst(n)と表し、n行目の画素の光電変換信号をvsig(n)と表す。また、水平信号線312に出力されるn−1行目及びn−3行目の1列目及び3列目の4画素が混合されたデータをv01と表し、2列目及び4列目の4画素が混合されたデータをv02と表す。水平信号線311に出力されるn行目及びn+2行目の1列目及び3列目の4画素が混合されたデータをv03と表し、2列目及び4列目の4画素が混合されたデータをv04と表す。
Next, the operation of the solid-
FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the solid-
まず、期間T21において、画素アレイ領域101に含まれるn行目の1行分の画素(111、121及び131)の信号が保持部102に一括転送され、対応するデータがホールド容量c012、c022及びc032に保持される。また、期間T21において、保持部202のホールド容量c112、c122及びc132に保持されているデータ(n−3行目の1行分の画素に対応するデータ)とホールド容量c113、c123及びc133に保持されているデータ(n−1行目の1行分の画像に対応するデータ)とが4画素毎に混合され、混合されたデータが水平信号線312に読み出される。
First, in a period T21, signals of pixels (111, 121, and 131) for one row in the n-th row included in the
以下、期間T21における画素のデータを保持部102に一括転送する動作を説明する。
Hereinafter, an operation of collectively transferring pixel data in the period T21 to the holding
なお、画素アレイ領域101の画素から垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsig(n)が出力されるまでの動作は、実施の形態1と同様であり説明は省略する。
Note that the operation until the photoelectric conversion signal vsig (n) is output from the pixels in the
垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsig(n)が出力される際に、サンプルパルス線NCSH1がアクティブであり、サンプルスイッチm015、m025及びm035がオンしている。さらに、ホールド容量選択線SWA1がアクティブであり、ホールド容量選択線SWB1が非アクティブであるので、ホールド容量選択スイッチm018、m028及びm038がオンされ、ホールド容量選択スイッチm019、m029及びm039がオフされる。これにより、リセット電圧vrst(n)と光電変換信号vsig(n)との差分信号(cldcnc(n)−vrst(n)−vsig(n))がそれぞれホールド容量c012、c022及びc032に保持される。次に、サンプルスイッチm015、m025及びm035と、ホールド容量選択スイッチm018、m028及びm038がオフされる。これにより、画素111、121及び131で光電変換された信号に対応するデータが保持回路114のホールド容量c012、保持回路124のホールド容量c022及び保持回路134のホールド容量c032に保持される。
When the photoelectric conversion signal vsig (n) is output to the
以上の動作により、画素111、121及び131のデータが一括転送され保持部102のホールド容量c012、c022及びc032に保持される。
Through the above operation, the data of the
次に、期間T21における、保持部202に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
Next, an operation of reading data held in the holding
期間T21において、ホールド容量選択線SWA2及びSWB2がアクティブとなり、保持部202のホールド容量選択スイッチm118、m119、m128、m129、m138及びm139がオンされる。
In the period T21, the hold capacitance selection lines SWA2 and SWB2 are activated, and the hold capacitance selection switches m118, m119, m128, m129, m138, and m139 of the holding
また、期間T21において、列選択線SL11、SL12及びSL13のうち2つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線SL11及びSL13がアクティブとなり、次に列選択線SL12及びSL14(列選択線SL14は図示せず。)がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチm117及びm137がオンされる。よって、保持回路214のホールド容量c112及びc113と、保持回路234のホールド容量c132及びc133に保持されている2行×2列の4画素のデータが混合され、水平信号線312に出力される。次に、列選択スイッチm127及びm147(列選択スイッチm147は図示せず。)がオンされる。よって、保持回路224のホールド容量c122及びc123と、保持回路244のホールド容量c142及びc143(保持回路244、ホールド容量c142及びc143は図示せず。)に保持されている2行×2列の4画素のデータが混合され、水平信号線312に出力される。
In the period T21, two column selection lines among the column selection lines SL11, SL12, and SL13 are sequentially activated. Specifically, first, the column selection lines SL11 and SL13 are activated, and then the column selection lines SL12 and SL14 (the column selection line SL14 is not shown) are activated. Thereby, first, the column selection switches m117 and m137 are turned on. Therefore, the data of 4 pixels of 2 rows × 2 columns held in the hold capacitors c112 and c113 of the holding
その後、2列分の列選択信号が順次アクティブとなり、混合された4画素のデータが順次水平信号線312に出力される。
Thereafter, the column selection signals for two columns are sequentially activated, and the mixed 4-pixel data is sequentially output to the
以上のように、期間T21において、n行目の1行分の画素が光電変換した信号の保持部102への一括転送と、保持部202に保持されているn−1行目及びn−3行目の2行×2列の画素のデータを混合したデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 21, batch transfer to the holding
次に、期間T22において、画素アレイ領域101に含まれるn+1行目の1行分の画素の信号が保持部202に一括転送され、対応するデータがホールド容量c112、c122及びc132に保持される。
Next, in a period T22, signals of pixels for one row of the (n + 1) th row included in the
なお、画素アレイ領域101の画素から垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsigが出力されるまでの動作は、実施の形態1と同様であり説明は省略する。
Note that the operation until the photoelectric conversion signal vsig is output from the pixels in the
垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsig(n+1)が出力される際に、サンプルパルス線NCSH2がアクティブであり、サンプルスイッチm115、m125及びm135がオンしている。さらに、ホールド容量選択線SWA2がアクティブであり、ホールド容量選択線SWB2が非アクティブであるので、ホールド容量選択スイッチm118、m128及びm138がオンされ、ホールド容量選択スイッチm119、m129及びm139がオフされる。これにより、リセット電圧vrst(n+1)と光電変換信号vsig(n+1)との差分信号(cldcnc(n+1)−vrst(n+1)−vsig(n+1))がそれぞれホールド容量c112、c122及びc132に保持される。次に、サンプルスイッチm115、m125及びm135と、ホールド容量選択スイッチm118、m128及びm138がオフされる。これにより、n+1行目の1行分の画素で光電変換された信号に対応するデータが保持回路214のホールド容量c112、保持回路224のホールド容量c122及び保持回路234のホールド容量c132に保持される。
When the photoelectric conversion signal vsig (n + 1) is output to the
以上の動作により、n+1行目の画素のデータが一括転送され保持部202のホールド容量c112、c122及びc132に保持される。
Through the above operation, the pixel data of the (n + 1) th row is transferred at once and held in the hold capacitors c112, c122 and c132 of the holding
次に、期間T23において、画素アレイ領域101に含まれるn+2行目の1行分の画素の信号が保持部102に一括転送され、対応するデータがホールド容量c013、c023及びc033に保持される。
Next, in a period T23, signals of pixels for one row of the (n + 2) th row included in the
なお、画素アレイ領域101の画素から垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsigが出力されるまでの動作は、実施の形態1と同様であり説明は省略する。
Note that the operation until the photoelectric conversion signal vsig is output from the pixels in the
垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsig(n+2)が出力される際に、サンプルパルス線NCSH1がアクティブであり、サンプルスイッチm015、m025及びm035がオンしている。さらに、ホールド容量選択線SWA1が非アクティブであり、ホールド容量選択線SWB1がアクティブであるので、ホールド容量選択スイッチm018、m028及びm038がオフされ、ホールド容量選択スイッチm019、m029及びm039がオンされる。これにより、リセット電圧vrst(n+2)と光電変換信号vsig(n+2)との差分信号(cldcnc(n+2)−vrst(n+2)−vsig(n+2))がそれぞれホールド容量c013、c023及びc033に保持される。次に、サンプルスイッチm015、m025及びm035と、ホールド容量選択スイッチm019、m029及びm039がオフされる。これにより、n+2行目の1行分の画素で光電変換された信号に対応するデータが保持回路114のホールド容量c013、保持回路124のホールド容量c023及び保持回路134のホールド容量c033に保持される。
When the photoelectric conversion signal vsig (n + 2) is output to the
以上の動作により、n+2行目の画素のデータが一括転送され保持部102のホールド容量c013、c023及びc033に保持される。
Through the above operation, the pixel data of the (n + 2) th row is transferred in a lump and is held in the hold capacitors c013, c023, and c033 of the holding
次に、期間T24において、画素アレイ領域101に含まれるn+3行目の1行分の画素の信号が保持部202に一括転送され、対応するデータがホールド容量c113、c123及びc133に保持される。また、期間T24において、保持部102のホールド容量c012、c022及びc032に保持されているデータ(n行目の1行分の画素に対応するデータ)とホールド容量c013、c023及びc033に保持されているデータ(n+2行目の1行分の画像に対応するデータ)とが4画素毎に混合され、混合されたデータが水平信号線311に読み出される。
Next, in a period T24, signals of pixels for one row of the (n + 3) th row included in the
以下、期間T24における画素のデータを保持部202に一括転送する動作を説明する。
Hereinafter, an operation of collectively transferring pixel data in the period T24 to the holding
なお、画素アレイ領域101の画素から垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsigが出力されるまでの動作は、実施の形態1と同様であり説明は省略する。
Note that the operation until the photoelectric conversion signal vsig is output from the pixels in the
垂直信号線301、302及び303に光電変換信号vsig(n+3)が出力される際に、サンプルパルス線NCSH2がアクティブであり、サンプルスイッチm115、m125及びm135がオンしている。さらに、ホールド容量選択線SWA2が非アクティブであり、ホールド容量選択線SWB2がアクティブであるので、ホールド容量選択スイッチm118、m128及びm138がオフされ、ホールド容量選択スイッチm119、m129及びm139がオンされる。これにより、リセット電圧vrst(n+3)と光電変換信号vsig(n+3)との差分信号(cldcnc(n+3)−vrst(n+3)−vsig(n+3))がそれぞれホールド容量c113、c122及びc032に保持される。次に、サンプルスイッチm015、m025及びm035と、ホールド容量選択スイッチm018、m028及びm038がオフされる。これにより、画素111、121及び131で光電変換された信号に対応するデータが保持回路114のホールド容量c012、保持回路124のホールド容量c022及び保持回路134のホールド容量c032に保持される。
When the photoelectric conversion signal vsig (n + 3) is output to the
以上の動作により、画素111、121及び131のデータが一括転送され保持部102のホールド容量c012、c022及びc032に保持される。
Through the above operation, the data of the
次に、期間T24における、保持部102に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
Next, an operation of reading data held in the holding
期間T24において、ホールド容量選択線SWA1及びSWB1がアクティブとなり、保持部102のホールド容量選択スイッチm018、m019、m028、m029、m038及びm039がオンされる。
In the period T24, the hold capacitance selection lines SWA1 and SWB1 are activated, and the hold capacitance selection switches m018, m019, m028, m029, m038, and m039 of the holding
また、期間T24において、列選択線SL01、SL02及びSL03のうち2つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線SL01及びSL03がアクティブとなり、次に列選択線SL02及びSL04(列選択線SL14は図示せず。)がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチm017及びm037がオンされる。よって、保持回路114のホールド容量c012及びc013と、保持回路134のホールド容量c032及びc033に保持されている2行×2列の4画素のデータが混合され、水平信号線311に出力される。次に、列選択スイッチm027及びm047(列選択スイッチm147は図示せず。)がオンされる。よって、保持回路124のホールド容量c022及びc023と、保持回路144のホールド容量c042及びc043(保持回路144、ホールド容量c042及びc043は図示せず。)に保持されている2行×2列の4画素のデータが混合され、水平信号線311に出力される。
In the period T24, two column selection lines among the column selection lines SL01, SL02, and SL03 are sequentially activated. Specifically, first, the column selection lines SL01 and SL03 are activated, and then the column selection lines SL02 and SL04 (the column selection line SL14 is not shown) are activated. Thereby, first, the column selection switches m017 and m037 are turned on. Therefore, the data of 4 pixels of 2 rows × 2 columns held in the hold capacitors c012 and c013 of the holding
その後、2列分の列選択信号が順次アクティブとなり、混合された4画素のデータが順次水平信号線311に出力される。
Thereafter, the column selection signals for two columns are sequentially activated, and the mixed 4-pixel data is sequentially output to the
以上のように、期間T24において、n+3行目の1行分の画素が光電変換した信号の保持部202への一括転送と、保持部102に保持されているn行目及びn+2行目の2行×2列の画素のデータを混合したデータの読み出しとが並列に行われる。
As described above, in the period T <b> 24, the batch transfer of the signals photoelectrically converted by the pixels of the n + 3th row of pixels to the holding
以上より、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300は、期間T21〜期間T24の動作により、n行目〜n+3行目までの4行分の画素の信号を、保持部102及び202に一括転送し、保持部102及び202は対応するデータを保持する。さらに、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300は、期間T21〜期間T24の動作により、保持部102及び202に保持されている4行分のデータの2行×2列のデータを混合し、水平信号線311及び312に出力する。
As described above, in the solid-
すなわち、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置は、期間T21〜期間T24の動作により、4行分のデータを保持部102及び202に一括転送し、4行分のデータを水平信号線311及び312に読み出すことができる。
That is, the solid-state imaging device according to
また、期間T21及び期間T24では、一括転送動作と、読み出し動作とが並列に行われる。通常、読み出し動作に要する時間は、一括転送動作に要する時間より長いので、期間T21及び期間T24のそれぞれの長さは、読み出し動作に要する時間T_readとなる。また、期間T22及び期間T23では、一括転送動作のみが行われるので、期間T22及び期間T23のそれぞれの長さは、一括転送動作に要する時間T_transとなる。 In the period T21 and the period T24, the batch transfer operation and the read operation are performed in parallel. Usually, since the time required for the read operation is longer than the time required for the batch transfer operation, the length of each of the period T21 and the period T24 is the time T_read required for the read operation. In addition, since only the batch transfer operation is performed in the period T22 and the period T23, the length of each of the period T22 and the period T23 becomes the time T_trans required for the batch transfer operation.
すなわち、4行分の画素の信号の一括転送と、4行分のデータの読み出しとに要する時間(期間T21〜期間T24の合計の時間)は、(T_trans + T_read) × 2となる。ここで、画素アレイ領域101に含まれる画素の行数をP_vertとすると、画素アレイ領域101に含まれる全ての画素の画像出力に必要な時間は、(T_trans + T_read) × P_vert/2となる。よって、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置300は、高速な画像出力を実現することができる。
That is, the time required for batch transfer of signals of pixels for four rows and reading of data for four rows (the total time of the periods T21 to T24) is (T_trans + T_read) × 2. Here, assuming that the number of rows of pixels included in the
なお、上記説明では、保持部102及び202がそれぞれ2行分の画素に対応するデータを保持するとしたが、保持部102及び202がそれぞれ3行分以上の画素に対応するデータを保持してもよい。さらに、保持部102及び202がそれぞれ3行分以上の画素のデータを保持する場合には、水平信号線311及び312に3行分以上の画素のデータを混合し、出力してもよい。
In the above description, the holding
さらに、上記説明では、2つの列選択信号を同時にオンすることで、2列の画像に対応するデータを混合しているが、3つ以上の列選択信号を同時にオンすることで、3列以上の画素に対応するデータを混合してもよい。 Further, in the above description, data corresponding to two columns of images are mixed by simultaneously turning on two column selection signals. However, by turning on three or more column selection signals simultaneously, three or more columns are mixed. Data corresponding to the pixels may be mixed.
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置は、保持部202が保持部202に保持される2行分のデータを混合し外部に出力する動作と、保持部102が複数の画素により変換された2行分の信号を保持する動作とを並列に行う。また、保持部102が保持部102に保持される2行分のデータを混合し外部に出力する動作と、保持部202が複数の画素により変換された2行分の信号を保持する動作とを並列に行う。
(Embodiment 4)
In the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention, the holding
本発明の実施の形態4の固体撮像装置の回路構成は、図6に示す固体撮像装置300と同様である。また、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置の断面構造は、図2に示す実施の形態1に係る固体撮像装置100と同様である。
The circuit configuration of the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention is the same as that of the solid-
以下、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置の動作を説明する。
図8は、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。なお、図8において、n行目の画素に対応するリセット電圧をvrst(n)と表し、n行目の画素の光電変換信号をvsig(n)と表す。また、水平信号線311に出力されるn−1行目及びn−3行目の1列目及び3列目の4画素が混合されたデータをv11と表し、2列目及び4列目の4画素が混合されたデータをv12と表す。水平信号線312に出力されるn行目及びn+2行目の1列目及び3列目の4画素が混合されたデータをv13と表し、2列目及び4列目の4画素が混合されたデータをv14と表す。
Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention will be described.
FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 8, the reset voltage corresponding to the pixel in the nth row is represented as vrst (n), and the photoelectric conversion signal of the pixel in the nth row is represented as vsig (n). In addition, the data obtained by mixing the four pixels in the first and third columns of the (n−1) th row and the (n-3) th row output to the
まず、期間T31において、画素アレイ領域101に含まれるn行目の1行分の画素の信号が保持部102に一括転送され、対応するデータがホールド容量c012、c022及びc032に保持される。
First, in a period T31, signals of pixels for one row in the n-th row included in the
次に、期間T32において、画素アレイ領域101に含まれるn+2行目の1行分の画素の信号が保持部102に一括転送され、対応するデータがホールド容量c013、c023及びc033に保持される。
Next, in a period T <b> 32, signals of pixels for one row of the (n + 2) th row included in the
また、期間T31及び期間T32において、保持部202のホールド容量c112、c122及びc132に保持されているデータ(n−3行目の1行分の画素に対応するデータ)とホールド容量c113、c123及びc133に保持されているデータ(n−1行目の1行分の画像に対応するデータ)とが水平信号線312に読み出される。
In the period T31 and the period T32, data held in the hold capacitors c112, c122, and c132 of the holding unit 202 (data corresponding to pixels for one row in the n-3th row) and the hold capacitors c113, c123, and The data held in c133 (data corresponding to the image for one row of the (n-1) th row) is read out to the
次に、期間T33において、画素アレイ領域101に含まれるn+1行目の1行分の画素の信号が保持部202に一括転送され、対応するデータがホールド容量c112、c122及びc132に保持される。
Next, in a period T33, signals of pixels for one row of the (n + 1) th row included in the
次に、期間T34において、画素アレイ領域101に含まれるn+3行目の1行分の画素の信号が保持部202に一括転送され、対応するデータがホールド容量c113、c123及びc133に保持される。
Next, in a period T34, signals of pixels for one row of the (n + 3) th row included in the
また、期間T33及び期間T34において、保持部102のホールド容量c012、c022及びc032に保持されているデータ(n行目の1行分の画素に対応するデータ)とホールド容量c013、c023及びc033に保持されているデータ(n+2行目の1行分の画像に対応するデータ)とが水平信号線311に読み出される。
Further, in the periods T33 and T34, the data held in the hold capacitors c012, c022, and c032 of the holding unit 102 (data corresponding to pixels for one row in the nth row) and the hold capacitors c013, c023, and c033 are stored. The held data (data corresponding to the image for the first row of n + 2) is read out to the
なお、期間T31〜期間T34における一括転送動作及び読み出し動作の詳細は、上述した実施の形態3と同様であり、説明は省略する。
Note that details of the batch transfer operation and the read operation in the period T31 to the period T34 are the same as those in
以上より、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置は、期間T31〜期間T34の動作により、n行目〜n+3行目までの4行分の画素の信号を、保持部102及び202に一括転送し、保持部102及び202は対応するデータを保持する。さらに、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置は、期間T31〜期間T34の動作により、保持部102及び202に保持されている4行分のデータの2行×2列のデータを混合し、水平信号線311及び312に出力する。
As described above, in the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention, the signals of pixels for four rows from the n-th row to the n + 3-th row are stored in the holding
すなわち、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置は、期間T31〜期間T34の動作により、4行分のデータを保持部102及び202に一括転送し、4行分のデータを水平信号線311及び312に読み出すことができる。
That is, the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention transfers the data for four rows to the holding
また、期間T31及び期間T32において、保持部102へのn行目及びn+2行目の画素のデータの一括転送動作と、保持部202が保持するデータの読み出し動作とが並列に行われる。
Further, in the period T31 and the period T32, the batch transfer operation of the pixel data of the n-th row and the (n + 2) -th row to the holding
通常、読み出し動作に要する時間は、一括転送動作に要する時間より長い。読み出し動作に要する時間T_readが、2行分の画素のデータの一括転送に要する時間T_trans×2より長い場合には、期間T31及び期間T32の合計の長さは、読み出し動作に要する時間T_readとなる。 Usually, the time required for the read operation is longer than the time required for the batch transfer operation. When the time T_read required for the read operation is longer than the time T_trans × 2 required for the batch transfer of the pixel data for two rows, the total length of the period T31 and the period T32 becomes the time T_read required for the read operation. .
また、期間T33及び期間T34において、保持部102へのn+1行目及びn+3行目の画素のデータの一括転送動作と、保持部102が保持するデータの読み出し動作とが並列に行われる。
In the period T33 and the period T34, the batch transfer operation of the data of the pixels in the (n + 1) th row and the (n + 3) th row to the holding
読み出し動作に要する時間T_readが、2行分の画素のデータの一括転送に要する時間T_trans×2より長い場合には、期間T33及び期間T34の合計の長さは、読み出し動作に要する時間T_readとなる。 When the time T_read required for the read operation is longer than the time T_trans × 2 required for batch transfer of the pixel data for two rows, the total length of the period T33 and the period T34 becomes the time T_read required for the read operation. .
すなわち、4行分の画素の信号の一括転送と、4行分のデータの読み出しとに要する時間(期間T31〜期間T34の合計の時間)は、T_read×2となる。ここで、画素アレイ領域101に含まれる画素の行数をP_vertとすると、画素アレイ領域101に含まれる全ての画素のデータを読み出すのに必要な時間は、T_read × P_vert/2となる。よって、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置は、読み出し動作に要する時間T_readが、2行分の画素のデータの一括転送に要する時間T_trans×2より長い場合には、実施の形態3に係る固体撮像装置300と比べ、高速に画像出力を行うことができる。
That is, the time required for the collective transfer of the signals of the pixels for four rows and the reading of the data for four rows (the total time of the periods T31 to T34) is T_read × 2. Here, if the number of rows of pixels included in the
本発明は、固体撮像装置に適用でき、特に、CMOSイメージセンサに適用できる。さらに、本発明は、CMOSイメージセンサを用いるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、Webカメラ、及び携帯電話に搭載されるカメラ等に適用できる。 The present invention can be applied to a solid-state imaging device, and in particular to a CMOS image sensor. Furthermore, the present invention can be applied to a digital still camera, a digital video camera, a Web camera, a camera mounted on a mobile phone, and the like using a CMOS image sensor.
100、200、300、500 固体撮像装置
101 画素アレイ領域
102、202 保持部
103、203 負荷トランジスタ領域
104 一括転送パルス発生部
105、205 読み出しパルス発生部
111、112、113、121、122、123、131、132、133 画素
114、124、134、214、224、234 保持回路
301、302、303 垂直信号線
311、312、313、314 水平信号線
400 半導体基板
401 第1導電領域
402 第2導電領域
403 第3導電領域
c011、c021、c031、c111、c121、c131 サンプル容量
c012、c022、c032、c112、c122、c132、c013、c023、c033、c113、c123、c133 ホールド容量
m111、m121、m131、m211、m221、m231、m311、m321、m331 転送トランジスタ
m112、m122、m132、m212、m222、m232、m312、m322、m332 リセットトランジスタ
m113、m123、m133、m213、m223、m233、m313、m323、m333 増幅トランジスタ
m014、m024、m034、m114、m124、m134 負荷トランジスタ
m004、m104 定電流用トランジスタ
m015、m025、m035、m115、m125、m135 サンプルスイッチ
m016、m026、m036、m116、m126、m136 ホールドスイッチ
m017、m027、m037、m117、m127、m137 列選択スイッチ
m018、m019、m028、m029、m038、m039、m118、m119、m128、m129、m138、m139 ホールド容量選択スイッチ
pd11、pd12、pd13、pd21、pd22、pd23、pd31、pd32、pd33 フォトダイオード
cldcnc ホールド電圧
vrst リセット電圧
vsig 光電変換信号
CLDCNC1、CLDCNC2 ホールド電圧線
NCCL1、NCCL2 クランプパルス線
NCSH1、NCSH2 サンプルパルス線
RS1、RS2、RS3 リセット線
SL01、SL02、SL03、SL11、SL12、SL13 列選択線
SWA1、SWA2、SWB1、SWB2 ホールド容量選択線
TX1、TX2、TX3 行選択線
100, 200, 300, 500 Solid-state imaging device 101 Pixel array region 102, 202 Holding unit 103, 203 Load transistor region 104 Batch transfer pulse generation unit 105, 205 Read pulse generation unit 111, 112, 113, 121, 122, 123, 131, 132, 133 Pixels 114, 124, 134, 214, 224, 234 Holding circuits 301, 302, 303 Vertical signal lines 311, 312, 313, 314 Horizontal signal lines 400 Semiconductor substrate 401 First conductive region 402 Second conductive region 403 Third conductive region c011, c021, c031, c111, c121, c131 Sample capacity c012, c022, c032, c112, c122, c132, c013, c023, c033, c113, c123, c133 Hold capacity m111, m121, m131, m211, m221, m231, m311, m321, m331 Transfer transistors m112, m122, m132, m212, m222, m232, m312, m322, m332 Reset transistors m113, m123, m133, m213, m223, m233, m313, m323, m333 Amplifying transistors m014, m024, m034, m114, m124, m134 Load transistors m004, m104 Constant current transistors m015, m025, m035, m115, m125, m135 Sample switches m016, m026, m036, m116, m126, m136 Hold switch m017, m027, m037, m117, m127, m137 Column selection switch m01 , M019, m028, m029, m038, m039, m118, m119, m128, m129, m138, m139 Hold capacitance selection switch pd11, pd12, pd13, pd21, pd22, pd23, pd31, pd32, pd33 Photodiode cldcncst reset voltage Voltage vsig Photoelectric conversion signal CLDCNC1, CLDCNC2 Hold voltage line NCCL1, NCCL2 Clamp pulse line NCSH1, NCSH2 Sample pulse line RS1, RS2, RS3 Reset line SL01, SL02, SL03, SL11, SL12, SL13 Column selection line SWA1, SWA2, SWB1, SWB2 Hold capacitance selection line TX1, TX2, TX3 Row selection line
Claims (11)
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第1保持手段と、
前記画素アレイ領域を挟むように、前記第1保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第2保持手段と、
前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第1出力手段と、
前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第2出力手段とを備える
ことを特徴とする固体撮像装置。 A pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion elements for converting light into electrical signals are arranged in a two-dimensional shape in a row direction and a column direction;
First holding means for holding an electrical signal converted by a photoelectric conversion element in units of rows;
Second holding means that is arranged to face the first holding means so as to sandwich the pixel array region and holds an electric signal converted by a photoelectric conversion element in units of rows;
First output means for outputting an electrical signal held by the first holding means to the outside;
A solid-state imaging device comprising: a second output unit that outputs an electrical signal held by the second holding unit to the outside.
行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第1保持手段に転送される動作と並列に、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 In parallel with the operation in which the electric signal converted by the photoelectric conversion element in units of rows is transferred to the second holding unit, the first output unit outputs the electric signal held in the first holding unit to the outside. ,
In parallel with the operation in which the electric signal converted by the photoelectric conversion element in units of rows is transferred to the first holding unit, the second output unit outputs the electric signal held in the second holding unit to the outside. The solid-state imaging device according to claim 1.
各列の複数の光電変換素子に変換された電気信号をそれぞれ伝送する複数の垂直信号線と、
前記複数の垂直信号線の一端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第1保持手段に保持するか否かを選択する第1スイッチ素子と、
前記複数の垂直信号線の他端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第2保持手段に保持するか否かを選択する第2スイッチ素子とを備える
ことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A plurality of vertical signal lines respectively transmitting electrical signals converted to a plurality of photoelectric conversion elements in each column;
A first switch element that is connected to one end of the plurality of vertical signal lines and selects whether or not to hold the electric signal in units of rows transmitted to the plurality of vertical signal lines in the first holding unit;
A second switch element connected to the other end of the plurality of vertical signal lines and configured to select whether to hold the electric signal in units of rows transmitted to the plurality of vertical signal lines in the second holding unit; The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
前記第1出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第1水平信号線と、
前記第2出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第2水平信号線とを備える
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A plurality of first horizontal signal lines for transmitting electrical signals output by the first output means;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a plurality of second horizontal signal lines that transmit the electrical signal output by the second output unit.
前記第2保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、
前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The first holding unit holds a plurality of row-unit electric signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements,
The second holding unit holds a plurality of row-unit electric signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements,
The first output means mixes a plurality of row-unit electric signals held in the first holding means and outputs them to the outside.
5. The solid-state imaging according to claim 1, wherein the second output unit mixes a plurality of row-unit electrical signals held by the second holding unit and outputs the mixed signals to the outside. apparatus.
複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第1保持手段に転送される動作と並列に、前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置。 In parallel with the operation in which the electrical signals converted by the plurality of row-unit photoelectric conversion elements are transferred to the second holding unit, the first output unit has a plurality of row-units held by the first holding unit. Mixing electrical signals and outputting them to the outside
In parallel with the operation in which the electrical signals converted by the plurality of row-unit photoelectric conversion elements are transferred to the first holding unit, the second output unit has a plurality of row-units held by the second holding unit. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein an electrical signal is output to the outside.
前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第1CDS回路を備え、
前記第1保持手段は、前記第1CDS回路が出力する差分を保持し、
前記第2保持手段は、
前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第2CDS回路を備え、
前記第2保持手段は、前記第2CDS回路が出力する差分を保持する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The first holding means is
A first CDS circuit that outputs a difference between a reset voltage that is a potential corresponding to a reset state of the photoelectric conversion element transmitted through the vertical signal line and an electric signal converted by the photoelectric conversion element;
The first holding unit holds a difference output from the first CDS circuit,
The second holding means is
A second CDS circuit that outputs a difference between a reset voltage, which is a potential corresponding to a reset state of the photoelectric conversion element transmitted through the vertical signal line, and an electric signal converted by the photoelectric conversion element;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second holding unit holds a difference output from the second CDS circuit.
前記半導体基板において、前記画素アレイ領域と、前記第1保持手段が形成される領域と、前記第2保持手段が形成される領域とは、それぞれ電気的に分離される
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The pixel array region, the first holding unit, and the second holding unit are formed on a semiconductor substrate,
2. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the pixel array region, the region in which the first holding unit is formed, and the region in which the second holding unit are formed are electrically separated from each other. The solid-state imaging device according to any one of 1 to 7.
ことを特徴とするカメラシステム。 A camera system comprising the solid-state imaging device according to claim 1.
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第1保持手段と、
前記画素アレイ領域を挟むように、前記第1保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第2保持手段と、
前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第1出力手段と、
前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第2出力手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第2保持手段に転送する動作と、前記第1出力手段が前記第1保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第1ステップと、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第1保持手段に転送する動作と、前記第2出力手段が前記第2保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第2ステップとを含む
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 A pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion elements for converting light into electrical signals are arranged in a two-dimensional shape in a row direction and a column direction;
First holding means for holding an electrical signal converted by a photoelectric conversion element in units of rows;
Second holding means that is arranged to face the first holding means so as to sandwich the pixel array region and holds an electric signal converted by a photoelectric conversion element in units of rows;
First output means for outputting an electrical signal held by the first holding means to the outside;
A solid-state imaging device driving method comprising: a second output unit that outputs an electrical signal held by the second holding unit to the outside,
The operation of transferring the electric signal converted by the photoelectric conversion element in units of rows to the second holding unit and the operation of the first output unit outputting the electric signal held by the first holding unit to the outside are performed in parallel. A first step to
The operation of transferring the electric signal converted by the photoelectric conversion element in units of rows to the first holding unit and the operation of the second output unit outputting the electric signal held by the second holding unit to the outside are performed in parallel. A solid-state imaging device driving method characterized by comprising:
前記第2保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第1出力手段は、前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、
前記第2出力手段は、前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、
前記第1ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第2保持手段に転送する動作と、前記第1出力手段が前記第1保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する動作とを並列に行い、
前記第2ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第1保持手段に転送する動作と、前記第2出力手段が前記第2保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像装置の駆動方法。 The first holding unit holds a plurality of row-unit electric signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements,
The second holding unit holds a plurality of row-unit electric signals converted by the row-unit photoelectric conversion elements,
The first output means mixes and outputs a plurality of row-unit electrical signals held by the first holding means,
The second output means mixes and outputs a plurality of row-unit electric signals held by the second holding means,
In the first step, an operation of transferring electric signals converted by a plurality of row-unit photoelectric conversion elements to the second holding unit, and a plurality of rows in which the first output unit is held by the first holding unit. The unit's electrical signal is mixed and output to the outside in parallel.
In the second step, an operation of transferring electric signals converted by a plurality of row-unit photoelectric conversion elements to the first holding unit, and a plurality of rows in which the second output unit is held by the second holding unit. The method of driving a solid-state imaging device according to claim 10, wherein an operation of outputting an electrical signal of a unit to the outside is performed in parallel.
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JP2011182320A (en) * | 2010-03-03 | 2011-09-15 | Olympus Corp | Solid-state imaging apparatus and driving method |
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- 2007-01-10 JP JP2007002662A patent/JP2008172434A/en active Pending
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