JP2008177760A - Solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、物理量分布検知の半導体装置の一例である固体撮像装置および撮像装置に関する。詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布を示す電気信号を外部に出力する仕組みに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging device which are an example of a semiconductor device for physical quantity distribution detection. Specifically, for example, an electric signal indicating a physical quantity distribution in which a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from outside such as light and radiation are arranged and converted into an electric signal by the unit components Is related to the mechanism to output to the outside.
たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波あるいは圧力(接触など)などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素(たとえば画素)を行列状(マトリクス状)に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。 For example, a plurality of unit components (for example, pixels) that are sensitive to changes in physical quantity such as electromagnetic waves input from the outside such as light and radiation or pressure (contact, etc.) are arranged in a matrix (matrix). Physical quantity distribution detection semiconductor devices are used in various fields.
一例として映像機器の分野では、物理量の一例である光(電磁波の一例)の変化を検知するCCD(Charge Coupled Device )型あるいはMOS(Metal Oxide Semiconductor ;金属酸化膜半導体)やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor; 相補金属酸化膜半導体)型の撮像素子(撮像デバイス)を用いた固体撮像装置が使われている。 For example, in the field of video equipment, a CCD (Charge Coupled Device) type, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) or CMOS (Complementary Metal-oxide) that detects a change in light (an example of an electromagnetic wave) which is an example of a physical quantity. A solid-state imaging device using a semiconductor (complementary metal oxide semiconductor) type imaging device (imaging device) is used.
近年では、固体撮像装置の一例として、CCDイメージセンサが持つ種々の問題を克服し得るMOSやCMOS型のイメージセンサが注目を集めており、たとえば、携帯(モバイル)機器向けの低消費電力対応の固体撮像装置や電子スチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ機器などの撮像装置に搭載されている。 In recent years, MOS and CMOS image sensors that can overcome various problems associated with CCD image sensors have been attracting attention as an example of solid-state imaging devices. For example, low power consumption compatibility for portable devices. It is mounted on an imaging device such as a solid-state imaging device, an electronic still camera, or a digital video camera device.
また、コンピュータ機器の分野では、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置などが使われている。これらは、単位構成要素(固体撮像装置にあっては画素)によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。 In the field of computer equipment, fingerprint authentication devices that detect fingerprint images based on changes in electrical characteristics based on pressure and changes in optical characteristics are used. These read out, as an electrical signal, a physical quantity distribution converted into an electrical signal by a unit component (a pixel in a solid-state imaging device).
一方、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に静電誘導トランジスタやMOSトランジスタなどの増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子(APS;Active Pixel Sensor /ゲインセルともいわれる)構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、CMOS型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている。 On the other hand, some solid-state imaging devices have an amplification driving transistor such as an electrostatic induction transistor or a MOS transistor in a pixel signal generation unit that generates a pixel signal corresponding to the signal charge generated in the charge generation unit. There is an amplifying solid-state imaging device including a pixel having a solid-state imaging device (APS: Active Pixel Sensor / gain cell) configuration. For example, many CMOS solid-state imaging devices have such a configuration.
このような増幅型固体撮像装置において画素信号を外部に読み出すには、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。 In such an amplification type solid-state imaging device, in order to read out a pixel signal to the outside, address control is performed on a pixel unit in which a plurality of unit pixels are arranged, and signals from individual unit pixels are arbitrarily selected. I am trying to read it out. That is, the amplification type solid-state imaging device is an example of an address control type solid-state imaging device.
たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたX−Yアドレス型固体撮像素子の一種である増幅型固体撮像素子は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、MOS構造などの能動素子(MOSトランジスタ)を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷(光電子)を前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。 For example, an amplification type solid-state imaging device which is a kind of XY address type solid-state imaging device in which unit pixels are arranged in a matrix form an active element (MOS transistor) such as a MOS structure in order to give the pixel itself an amplification function. ) To form a pixel. That is, signal charges (photoelectrons) accumulated in a photodiode which is a photoelectric conversion element are amplified by the active element and read out as image information.
この種のX−Yアドレス型固体撮像素子では、たとえば、画素トランジスタが2次元行列状に多数配列されて画素部が構成され、ライン(行)ごとあるいは画素ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号がアドレス指定によって各画素から所定順に読み出される。ここで、MOS(CMOSを含む)型においては、アドレス制御の一例として、1行分を同時にアクセスして行単位で画素信号を画素部から読み出し、その後に、その1行分の画素信号を順次出力側に読み出す方式が多く用いられている。 In this type of XY address type solid-state imaging device, for example, a plurality of pixel transistors are arranged in a two-dimensional matrix to form a pixel unit, and a signal charge corresponding to incident light for each line (row) or each pixel. Accumulation is started, and a current or voltage signal based on the accumulated signal charge is read from each pixel in a predetermined order by addressing. Here, in the MOS (including CMOS) type, as an example of address control, one row is accessed simultaneously and pixel signals are read out from the pixel unit in units of rows, and then the pixel signals for one row are sequentially transmitted. A method of reading to the output side is often used.
たとえば、CMOSイメージセンサは、マトリクス状に配置された画素ごとにフローティングディフュージョンアンプなどによる増幅回路を持ち合わせており、画素信号の読出しに当たっては、アドレス制御の一例として、画素アレイ部の中のある1行分の全画素を選択し、その1行分を同時にアクセスして行単位で、つまり1行分の全画素について同時並列的に、画素信号を画素アレイ部から読み出す、いわゆる列並列出力型あるいはカラム型と称される方式が多く用いられている(たとえば特許文献1参照)。 For example, a CMOS image sensor has an amplifying circuit such as a floating diffusion amplifier for each pixel arranged in a matrix, and when reading a pixel signal, one row in the pixel array unit is used as an example of address control. So-called column parallel output type or column that reads out pixel signals from the pixel array section in units of rows, that is, simultaneously in parallel for all the pixels of one row. A system called a mold is often used (see, for example, Patent Document 1).
また、一般的な固体撮像装置では、各列の単位画素で取得される画素信号を列方向に読み出し(一般的に垂直転送と称する)、その後、各列の画素信号を所定の順に選択して水平信号線に集め順次後段回路に転送する(一般的に水平転送と称する)。 Further, in a general solid-state imaging device, pixel signals acquired by unit pixels in each column are read in the column direction (generally referred to as vertical transfer), and then pixel signals in each column are selected in a predetermined order. The signals are collected on a horizontal signal line and sequentially transferred to a subsequent circuit (generally referred to as horizontal transfer).
水平転送回路の構成としては、様々なものがあるが、たとえば、適度なゲインで入力信号を増幅するための増幅回路を備える。増幅回路の構成としても様々なものがあるが、一例として、演算増幅器などの増幅素子と、その増幅素子の入力側に接続され画素信号を保持する入力容量、増幅素子の入出力間に接続された帰還容量、および帰還容量の両端電圧を画素信号非転送時に初期化する初期化スイッチを具備する容量帰還型の増幅回路がある。この増幅回路では、初期化スイッチのオフ中の画素信号成分の転送時に、入力容量に保持された画素信号が、入力容量と帰還容量との比で表される信号増幅率で増幅されて出力される。 There are various configurations of the horizontal transfer circuit. For example, the horizontal transfer circuit includes an amplifier circuit for amplifying an input signal with an appropriate gain. There are various types of amplifier circuits, but as an example, an amplifier such as an operational amplifier, an input capacitor connected to the input side of the amplifier, and connected between the input and output of the amplifier are connected. There is a capacitor feedback type amplifier circuit that includes a feedback capacitor and an initialization switch that initializes the voltage across the feedback capacitor when the pixel signal is not transferred. In this amplifier circuit, when the pixel signal component is transferred while the initialization switch is OFF, the pixel signal held in the input capacitor is amplified and output with a signal amplification factor represented by the ratio of the input capacitor and the feedback capacitor. The
容量帰還型の増幅回路では、初期化スイッチをオンさせて帰還容量の両端電圧をリセットしたときのリセットノイズ(熱雑音とも称される)が水平信号線の寄生容量に蓄積され、その後の画素信号成分の転送時に、画素信号を信号増幅率で増幅して出力するだけでなく、リセットノイズも寄生容量と帰還容量との比で表されるノイズ増幅率で増幅して出力することになり、S/Nが悪化してしまう。 In the capacitive feedback type amplifier circuit, reset noise (also called thermal noise) when the initialization switch is turned on to reset the voltage across the feedback capacitor is accumulated in the parasitic capacitance of the horizontal signal line, and the subsequent pixel signal At the time of component transfer, not only the pixel signal is amplified and output with the signal amplification factor, but also the reset noise is amplified and output with the noise amplification factor represented by the ratio of the parasitic capacitance and the feedback capacitance. / N will deteriorate.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、容量帰還型の増幅回路から出力される信号中のリセットノイズの成分を抑制することのできる仕組みを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a mechanism capable of suppressing a reset noise component in a signal output from a capacitive feedback amplifier circuit.
本発明に係る表示装置の一実施形態は、先ず、単位画素が行列状に配列された画素アレイ部と、画素アレイ部の各単位画素から列方向に読み出された画素信号を保持する容量素子を具備した複数の画素信号保持部とを備える列並列型の構成を採る。 In one embodiment of a display device according to the present invention, first, a pixel array unit in which unit pixels are arranged in a matrix, and a capacitive element that holds pixel signals read in the column direction from each unit pixel of the pixel array unit A column-parallel configuration including a plurality of pixel signal holding units including
そして、画素信号保持部の後段に、画素信号保持部を順次選択する選択部と、選択部により選択された画素信号保持部から出力される画素信号を伝送する信号線と、増幅素子、増幅素子の入出力間に接続された帰還容量、および帰還容量の両端電圧を初期化する初期化スイッチを具備する容量帰還型の増幅回路と、増幅回路の初期化により増幅回路の出力信号に生じるノイズ(特にアンプリセットノイズもしくは熱雑音と称する)を抑制するノイズ抑制部を備える。容量帰還型の増幅回路は、画素信号保持部の容量素子を入力容量として動作する。 Then, in the subsequent stage of the pixel signal holding unit, a selection unit that sequentially selects the pixel signal holding unit, a signal line that transmits a pixel signal output from the pixel signal holding unit selected by the selection unit, an amplification element, and an amplification element A feedback capacitor connected between the input and output of the capacitor, a capacitance feedback type amplifier circuit comprising an initialization switch for initializing the voltage across the feedback capacitor, and noise generated in the output signal of the amplifier circuit due to the initialization of the amplifier circuit ( In particular, a noise suppression unit that suppresses amplifier reset noise or thermal noise) is provided. The capacitive feedback type amplifier circuit operates using the capacitive element of the pixel signal holding unit as an input capacitance.
ノイズ抑制部は、初期化スイッチがオフ時でかつ選択部が画素信号保持部を選択していないときに初期化スイッチのオン時に生じ信号線に付帯する容量に保持されたノイズ成分を増幅回路で増幅して出力される基準情報と、初期化スイッチがオフ時でかつ選択部が画素信号保持部を選択しているときに入力容量に保持されている画素信号を増幅回路で増幅して出力される信号転送状態の画素情報とに基づき、初期化により増幅回路の出力信号に生じるノイズを抑制する構成とする。 The noise suppression unit uses an amplification circuit to generate a noise component that is generated when the initialization switch is turned on when the initialization switch is off and the selection unit does not select the pixel signal holding unit and is held in the capacitor attached to the signal line. The reference information that is amplified and output, and when the initialization switch is off and the selection unit selects the pixel signal holding unit, the pixel signal held in the input capacitor is amplified by the amplification circuit and output. The noise is generated in the output signal of the amplifier circuit by initialization based on the pixel information in the signal transfer state.
このため、たとえば、基準情報を取得して保持する基準情報取得部と、信号転送状態の画素情報を取得して保持する信号転送情報取得部と、基準情報取得部で取得された基準情報と信号転送情報取得部で取得された画素情報との間で差分処理を行なう差分情報取得部とを有するものとする。画素信号転送時の出力情報(画素信号成分とノイズ成分との合成成分)とノイズ成分との差を求めるノイズ抑制部の機能を忠実に反映した構成であり、コンパクトな構成である。好ましくは、基準情報取得部と信号転送情報取得部とは、差分情報取得部における処理に供される基準情報と画素情報の各出力タイミングを揃えることが可能に構成されているものとするのがよい。 Therefore, for example, a reference information acquisition unit that acquires and holds reference information, a signal transfer information acquisition unit that acquires and holds pixel information in a signal transfer state, and reference information and signals acquired by the reference information acquisition unit A difference information acquisition unit that performs a difference process with the pixel information acquired by the transfer information acquisition unit is provided. This is a configuration that faithfully reflects the function of the noise suppression unit that obtains the difference between the output information (composition component of the pixel signal component and the noise component) at the time of pixel signal transfer and the noise component, and is a compact configuration. Preferably, the reference information acquisition unit and the signal transfer information acquisition unit are configured to be capable of aligning the output timings of the reference information and the pixel information used for processing in the difference information acquisition unit. Good.
このような構成では、初期化スイッチをオンさせて帰還容量の両端電圧をリセットしたときのノイズ成分が信号線に付帯する容量に保持され、それが、リセット解除時に増幅されて出力される。このリセット解除時の増幅されたノイズ成分を画素信号転送前に基準情報として基準情報取得部で取得しておく。この後、選択部により画素信号保持部を選択する画素信号転送時には、画素信号保持部の容量素子に保持されている画素信号を増幅した成分と基準情報(増幅されたノイズ成分)の合成成分を信号転送情報取得部で取得する。そして、信号転送情報取得部が取得した合成成分と予め基準情報取得部で取得しておいた基準情報(増幅されたノイズ成分)との差分を差分情報取得部で求めるなど、画素信号転送時に取得した出力情報(画素信号成分とノイズ成分との合成成分)に対して画素信号転送前に取得しておいたノイズ成分を使って出力情報中のノイズ成分がより小さくなるようにする。 In such a configuration, the noise component when the initialization switch is turned on to reset the voltage across the feedback capacitor is held in the capacitor attached to the signal line, and is amplified and output when the reset is released. The amplified noise component at the time of reset cancellation is acquired by the reference information acquisition unit as reference information before transferring the pixel signal. Thereafter, at the time of pixel signal transfer for selecting the pixel signal holding unit by the selection unit, a component obtained by amplifying the pixel signal held in the capacitor element of the pixel signal holding unit and the reference information (amplified noise component) are combined. Obtained by the signal transfer information obtaining unit. Then, the difference information acquisition unit obtains the difference between the composite component acquired by the signal transfer information acquisition unit and the reference information (amplified noise component) acquired in advance by the reference information acquisition unit, and is acquired at the time of pixel signal transfer. The noise component in the output information is made smaller by using the noise component acquired before the pixel signal transfer with respect to the output information (the combined component of the pixel signal component and the noise component).
固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とが纏めてパッケージングされた、撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。 The solid-state imaging device may be in a form formed as a single chip, or may be in a module-like form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. .
また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、固体撮像装置と同様の効果が得られる。ここで、撮像装置は、たとえば、カメラ(あるいはカメラシステム)や撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。 Further, the present invention can be applied not only to a solid-state imaging device but also to an imaging device. In this case, the same effect as the solid-state imaging device can be obtained as the imaging device. Here, the imaging device indicates, for example, a camera (or camera system) or a portable device having an imaging function. “Imaging” includes not only capturing an image during normal camera shooting, but also includes fingerprint detection in a broad sense.
本発明の一実施形態によれば、容量帰還型の増幅回路をリセットしたことを起因とするノイズ成分の増幅回路の出力情報を画素信号転送前に取得しておき、画素信号転送時の増幅回路の出力情報に対して、ノイズ成分の増幅回路の出力情報を使って処理するようにしたので、ノイズ抑制部の出力信号においては、アンプリセットノイズを抑制することができる。画素信号転送時に取得した出力情報(画素信号成分とノイズ成分との合成成分)に対して、画素信号転送前に取得しておいたノイズ成分を使って出力情報中のノイズ成分がより小さくなるようにするからである。 According to an embodiment of the present invention, output information of an amplification circuit of a noise component caused by resetting a capacitance feedback type amplification circuit is obtained before pixel signal transfer, and the amplification circuit at the time of pixel signal transfer Since the output information of the noise component is processed using the output information of the amplification circuit of the noise component, the amplifier reset noise can be suppressed in the output signal of the noise suppression unit. The noise component in the output information is made smaller by using the noise component acquired before the pixel signal transfer with respect to the output information (the combined component of the pixel signal component and the noise component) acquired during the pixel signal transfer. Because it makes it.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、X−Yアドレス型の固体撮像装置の一例である、CMOS固体撮像装置をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、CMOS固体撮像装置は、全ての画素がNMOSよりなるものであるとして説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a case where a CMOS solid-state imaging device, which is an example of an XY address type solid-state imaging device, is used as a device will be described as an example. The CMOS solid-state imaging device will be described on the assumption that all pixels are made of NMOS.
ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはMOS型の固体撮像装置に限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。 However, this is an example, and the target device is not limited to the MOS type solid-state imaging device. All the semiconductor device for physical quantity distribution detection in which a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from outside such as light and radiation are arranged in a line or matrix form, and all implementations described later. Forms are applicable as well.
<固体撮像装置の全体概要>
図1は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態であるCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。
<Overview of solid-state imaging device>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CMOS solid-state imaging device (CMOS image sensor) which is an embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention.
固体撮像装置1は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子(電荷生成部の一例)を含む複数個の画素が行および列に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理機能部やその他のアナログ信号処理部が列並列に設けられているものである。
The solid-
“列並列にCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部が設けられている”とは、垂直列の垂直信号線(列信号線の一例)19に対して実質的に並列に複数のCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部が設けられていることを意味する。 “A CDS processing function unit and other analog signal processing units are provided in parallel in a column” means that a plurality of CDS processes are substantially parallel to a vertical signal line (an example of a column signal line) 19 in a vertical column. This means that a functional unit and other analog signal processing units are provided.
複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素アレイ部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)にのみ配されている形態のものであってもよいし、画素アレイ部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)とその反対側である他方の端縁側(図の上側)に分けて配されている形態のものであってもよい。後者の場合、行方向の読出走査(水平走査)を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配して、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。 Each of the plurality of functional units is arranged only on one end side in the column direction with respect to the pixel array unit 10 (output side arranged on the lower side of the drawing) when the device is viewed in plan view. Or one end side in the column direction (output side arranged on the lower side of the figure) and the other end side opposite to the pixel array unit 10 (upper side in the figure). ) May be arranged separately. In the latter case, it is preferable that the horizontal scanning unit that performs readout scanning (horizontal scanning) in the row direction is also arranged separately on each edge side so that each can operate independently.
たとえば、列並列にCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、CDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出す、垂直列とCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部とが1対1に接続されるカラム型のものである。 For example, as a typical example in which a CDS processing function unit and other analog signal processing units are provided in parallel in a column, a CDS processing function unit and other analog signals are provided in a portion called a column area provided on the output side of the imaging unit. A processing unit is provided for each vertical column, and the vertical column and the CDS processing function unit and other analog signal processing units that are sequentially read out to the output side are connected in a one-to-one relationship.
また、カラム型(列並列型)に限らず、隣接する複数(たとえば2つ分)の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部を割り当てる形態や、N本おき(Nは正の整数;間にN−1本を配する)のN本分の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部を割り当てる形態などを採ることもできる。 In addition to the column type (column parallel type), one CDS processing function unit and other analog signal processing units are allocated to a plurality of adjacent (for example, two) vertical signal lines 19 (vertical columns). Or one CDS processing function unit or other analog signal processing for N vertical signal lines 19 (vertical columns) every N (N is a positive integer; N-1 in-between) The form which allocates a part etc. can also be taken.
カラム型を除くものは、何れの形態も、複数の垂直信号線19(垂直列)が1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部を共通に使用する構成となるので、画素アレイ部10側から供給される複数列分の画素信号を1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部に供給する切替回路(スイッチ)を設ける。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持するメモリを設けるなどの対処が別途必要になる。 Except for the column type, in any form, the plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns) commonly use one CDS processing function unit and other analog signal processing units. A switching circuit (switch) is provided for supplying pixel signals for a plurality of columns supplied from the side to one CDS processing function unit and other analog signal processing units. Depending on the subsequent processing, a separate measure such as providing a memory for holding the output signal is required.
何れにしても、複数の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことで、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。 In any case, the signal processing of each pixel signal is performed in units of pixel columns by adopting a form in which one CDS processing function unit and other analog signal processing units are assigned to a plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns). Compared with the case where the same signal processing is performed in each unit pixel, the configuration in each unit pixel is simplified and the number of pixels of the image sensor, size reduction, and cost reduction are supported. it can.
また、列並列に配された複数の信号処理部にて1行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で1つのCDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。 In addition, since a plurality of signal processing units arranged in parallel in a column can simultaneously process pixel signals for one row, one CDS processing function unit or other analog signal is provided on the output circuit side or outside the device. Compared with processing in the processing unit, the signal processing unit can be operated at a low speed, which is advantageous in terms of power consumption, bandwidth performance, noise, and the like. In other words, when the power consumption and bandwidth performance are the same, the entire sensor can be operated at high speed.
なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路(スイッチ)が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。
図1に示すように、本実施形態の固体撮像装置1は、複数の単位画素3が行および列に配列された画素部や撮像部などとも称される画素アレイ部10と、画素アレイ部10の外側に設けられた駆動制御部7と、画素アレイ部10の単位画素3に画素信号読出用の動作電流(読出電流)を供給する読出電流源部24と、垂直列ごとに配されたカラム信号処理部25を有するカラム処理部26と、出力回路28とを備えている。これらの各機能部は、同一の半導体基板上に設けられている。
In the case of a column type configuration, it can be operated at a low speed, which is advantageous in terms of power consumption, bandwidth performance, noise, and the like, and has an advantage that a switching circuit (switch) is unnecessary. In the following embodiments, this column type will be described unless otherwise specified.
As shown in FIG. 1, the solid-
図1では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素3が配置される。この単位画素3は、典型的には、検知部の一例である受光素子(電荷生成部)としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子(たとえばトランジスタ)を有する画素内アンプ(画素信号生成部の一例)とから構成される。
In FIG. 1, some of the rows and columns are omitted for the sake of simplicity, but in reality, tens to thousands of
なお、固体撮像装置1は、色分解(色分離)フィルタを使用することで、画素アレイ部10をカラー撮像対応にすることができる。すなわち、画素アレイ部10における各電荷生成部(フォトダイオードなど)の電磁波(本例では光)が入射される受光面に、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れの色フィルタを、たとえばいわゆるベイヤー(Bayer)配列などにして設けることで、カラー画像撮像対応とする。
Note that the solid-
駆動制御部7は、画素アレイ部10の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば駆動制御部7としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査部(列走査回路)12と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査部(行走査回路)14と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部20とを備えている。
The
単位画素3は、行選択のための行制御線15を介して垂直走査部14と、また垂直信号線19を介してカラム信号処理部25が垂直列ごとに設けられているカラム処理部26と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線15は垂直走査部14から画素に入る配線全般を示す。
The
垂直走査部14は、画素アレイ部10の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものであり、たとえば、垂直方向の読出し行を規定する(画素アレイ部10の行を選択する)垂直アドレス設定部14aと、垂直アドレス設定部14aにて規定された読出アドレス上(行方向)の単位画素3に対する行制御線15にパルスを供給して駆動する垂直駆動部14bとを有する。なお、垂直アドレス設定部14aは、信号を読み出す行(読出し行:選択行や信号出力行とも称する)の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。
The
水平走査部12は、クロックに同期してカラム処理部26のカラム信号処理部25を所定の順に選択し、カラム信号処理部25にて処理された後の画素信号S1を水平信号線18へ読み出す読出走査部の機能を持つ。たとえば、水平走査部12は、水平方向の読出列を規定する(カラム処理部26内の個々のカラム信号処理部25を選択する)水平アドレス設定部12aと、水平アドレス設定部12aにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部26の各画素信号S1を水平信号線18に導く水平駆動部12bとを有する。
The horizontal scanning unit 12 selects the column
通信・タイミング制御部20は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータTG(読出アドレス制御装置の一例)の機能ブロックと、端子5aを介して外部の主制御部から供給されるマスタークロックCLK0を受け取り、また端子5bを介して外部の主制御部から供給される動作モードなどを指令するデータを受け取り、さらに固体撮像装置1の動作情報を含む各種のデータを外部の主制御部に出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。
Although not shown, the communication /
たとえば、水平アドレス信号を水平アドレス設定部12aへ、また垂直アドレス信号を垂直アドレス設定部14aへ出力し、各アドレス設定部12a,14aは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。水平走査部12や垂直走査部14は、アドレス設定用のアドレス設定部12a,14aを含んで構成され、通信・タイミング制御部20から与えられる制御信号CN1,CN2に応答してシフト動作(走査)などにより読出しアドレスを切り替える。
For example, the horizontal address signal is output to the horizontal address setting unit 12a, and the vertical address signal is output to the vertical
この際、単位画素3を2次元マトリクス状に配置してあるので、単位画素3に設けられる画素信号生成部により生成され垂直信号線19を介して列方向に出力されるアナログの画素信号S0を行単位で(列並列で)アクセスし取り込む(垂直)スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスしカラム処理部26の各カラム信号処理部25で処理された画素信号S1を出力側へ読み出す(水平)スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号の読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素3を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素3の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。
At this time, since the
本実施形態のカラム信号処理部25は、画素アレイ部10の単位画素3から出力される画素信号Soの基準レベルである画素リセット直後の画素信号レベル(以下リセットレベルS0_rstと称する)と単位画素3にて電磁波(可視光など)を検出して得られる信号成分を反映した画素信号レベル(以下信号レベルS0_sigと称する)との間で差分処理を実行することで、リセットレベルS0_rstと信号レベルS0_sigの差で示される信号成分の情報を取得する差分処理部が設けられる。差分処理部の機能は、一般的なリセットレベルと真の(受光光量に応じた)信号レベルとの差分をとる処理(いわゆるCDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)処理と等価)と等価となり、固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise )やリセットノイズと言われるノイズ信号成分を取り除くことができる。
The column
カラム処理部26は、垂直列(カラム)ごとにカラム信号処理部25を有して構成されており、1行分の各列の画素信号S0を同時に受けて、各カラム信号処理部25が対応列の画素信号S0(_1〜_h;1行中の画素番号)を処理して、処理済みの画素信号S1(_1〜_h;1行中の画素番号)を出力する。カラム処理部26には、アナログ信号処理を制御するための種々の駆動パルスCN3が通信・タイミング制御部20から供給される。
The
たとえば、カラム信号処理部25は、CDS処理を利用したノイズ除去手段の機能を備えるようにする。なお、カラム信号処理部25には、CDS処理機能部の後段に、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control) 回路やその他の処理機能回路などを設けることも可能である。
For example, the column
カラム信号処理部25にてCDS処理を行なう場合、たとえば、通信・タイミング制御部20から与えられる駆動パルスCN3に含まれているサンプルパルスSHPとサンプルパルスSHDといった2つのサンプルパルスに基づいて、垂直信号線19を介して入力された電圧モードの画素情報(画素信号S0)に対して、画素リセット直後の画素信号(リセットレベルS0_rst)と真の信号成分V_sigをリセットレベルS0_rstに重畳した信号レベルS0_sigとの差分をとる処理を行なうことで、画素ごとの固定ばらつきによる固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise )やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除く。CDS処理を行なう回路構成としては様々な仕組みが知られており、ここではその構成については図示や説明を割愛する。
When performing the CDS processing in the column
カラム信号処理部25の後段には、画素アレイ部10の各単位画素3から列方向に読み出され各列のカラム信号処理部25で処理された画素信号S1を保持する列ごとに設けられた(複数の)蓄積容量266を具備する画素信号保持部を備える。蓄積容量266の他端は基準電位である接地(GND )に接続される。蓄積容量266は、後述するスイッチドキャパシタアンプ320の入力容量としても兼用されるものである。蓄積容量266を具備する各列の画素信号保持部を纏めてラインメモリ266Cと称する。
In the subsequent stage of the column
カラム処理部26の各列のカラム信号処理部25の出力(画素信号S1)である蓄積容量266に保持された画素信号S1は、水平読出用のスイッチ(たとえばMOSトランジスタ)62を備えた水平選択スイッチ部60に入力される。水平走査部12と水平信号線18と出力回路28と水平選択スイッチ部60とで水平転送部が構成される。
The pixel signal S1 held in the
カラム処理部26の各カラム信号処理部25の出力は、カラム出力線268を介して、蓄積容量266に保持されている電荷を順次読み出すための各列に対応する水平読出用の水平選択スイッチ62にそれぞれ接続されている。水平選択スイッチ部60の出力端側は、行方向に画素信号を順次転送出力する伝送線としての水平信号線18が共通接続される。一方、水平選択スイッチ部60の各制御ゲート端は、水平シフトレジスタやデコーダなどで構成され水平方向の読出アドレスを制御する水平アドレス設定部12aおよび水平選択スイッチ部60の水平選択スイッチ62を駆動する水平駆動部12bを備えた水平走査部12に接続される。
The output of each column
水平信号線18は、単位画素3のそれぞれから垂直信号線19を介して伝送されカラム信号処理部25にて処理された個々の画素信号S1を、垂直信号線19(カラム出力線268)の配列方向である水平方向に所定順に出力するため読出線として機能するものであり、カラム信号処理部25から、垂直列ごとに存在する水平選択スイッチ62によって選択された画素信号を取り出して出力回路28に渡す。
The
すなわち、カラム信号処理部25により処理された画素情報を表わす信号電荷に応じた各垂直列の電圧信号は、水平走査部12からの水平選択信号φH1〜φHhに応じた駆動パルスφg1〜φghにより駆動される垂直列ごとに設けられた水平選択スイッチ62により所定のタイミングで選択され水平信号線18に読み出される。そして、水平信号線18の後端に設けられた出力回路28に入力される。
That is, the voltage signal of each vertical column corresponding to the signal charge representing the pixel information processed by the column
出力回路28は、その構成例についての詳細は後述するが、スイッチドキャパシタアンプ(SCA:Switched Capacitor Amplifier )回路とサンプルホールド(Sample & Hold )回路を有し、信号転送状態とリセット状態の2つの状態を切り替えて動作し、各動作状態の信号を出力するようになっている。これに対応して、信号転送状態とリセット状態の2つの状態を切り替えて動作させるパルスや信号転送状態の信号をサンプルするためのパルスなど種々の駆動パルスCN4が、通信・タイミング制御部20から供給される。出力回路28は、画素アレイ部10から水平信号線18を通して出力される各単位画素3の画素信号S1_1〜_hをスイッチドキャパシタアンプ回路で適当なゲイン(信号増幅率)で増幅した後、駆動パルスCN4の制御の元で、撮像信号S3として外部回路に出力端子5cを介して供給する。
The
たとえば図1(B)に示すように、撮像チップ内部の出力回路28は、適度なゲインで入力信号を増幅するなどの機能を持ったスイッチドキャパシタアンプ320と、スイッチドキャパシタアンプ320から出力されたアナログの撮像信号S2における必要な部分を抽出するサンプルホールド部340とをこの順に有する。なお、必要に応じて、サンプルホールド部340の後段には出力バッファ360が設けられる。
For example, as shown in FIG. 1B, the
スイッチドキャパシタアンプ320は、画素アレイ部10の各単位画素3にて生成された画素信号を操作するアナログ信号処理部の一例である。また、サンプルホールド部340は、アナログ信号処理部の一例であるスイッチドキャパシタアンプ320から出力される撮像信号S2における信号転送状態の信号S2_sigとリセット状態の信号S2_rstとに基づいて出力用の撮像信号S3を生成する出力信号生成部の一例である。サンプルホールド部340の後段に出力バッファが設けられる場合には、サンプルホールド部340と出力バッファとで出力信号生成部が構成されると考えることもできる。
The switched
サンプルホールド部340は、垂直列ごとに水平信号線18を基準レベルにリセットしてから信号転送状態の信号S2_sigを読み出すべくスイッチドキャパシタアンプ320が信号転送状態とリセット状態とを交互に繰り返しながら動作するものであることに対応して設けられており、基本構成として、図示のように、MOSトランジスタなどで構成されたサンプルスイッチ340SWとホールドコンデンサ(容量素子)340Cとを備え、実際に画像として必要な信号転送状態の信号を抽出する機能を持つ。
The
なお、本実施形態のサンプルホールド部340としては、サンプルスイッチ340SWとホールドコンデンサ340Cとを2系統備える点に特徴を有している。また、好ましくは、2系統のそれぞれが、2段構成のサンプルホールド回路を備える点に特徴を持つ。これらの点についての詳細は後述する。
The
水平走査部12や垂直走査部14などの駆動制御部7の各要素は、画素アレイ部10とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成されたいわゆる1チップもの(同一の半導体基板上に設けられているもの)として、半導体システムの一例であるCMOSイメージセンサとして、本実施形態の固体撮像装置1の一部をなすように構成される。
The elements of the
出力回路28の後段に設けられる外部回路は、画素アレイ部10や駆動制御部7などが同一の半導体領域に一体的に形成された固体撮像素子とは別の基板(プリント基板もしくは半導体基板)上に構成されており、各撮影モードに対応した回路構成が採られるようになっている。
The external circuit provided in the subsequent stage of the
図示を割愛するが、出力回路28の後段である撮像チップ外部には、出力回路28から出力されたアナログの撮像信号S3をデジタルの撮像データに変換する機能部(AD(Analog to Digital )変換部)や、デジタル化された撮像データに基づいてデジタル信号処理を施す機能部(デジタル信号処理部)が設けられる。
Although not shown, a functional unit (AD (Analog to Digital) conversion unit) that converts the analog imaging signal S3 output from the
デジタル信号処理部は、たとえば、AD変換部から出力されるデジタルデータを適当に増幅して出力するデジタルアンプ部の機能を持つ。また、たとえば色分離処理を施してR(赤),G(緑),B(青)の各画像を表す画像データRGBを生成し、この画像データRGBに対してその他の信号処理を施してモニタ出力用の画像データD3を生成する。また、デジタル信号処理部には、記録メディアに撮像データを保存するための信号圧縮処理などを行なう機能部が備えられる。 The digital signal processing unit has a function of a digital amplifier unit that appropriately amplifies and outputs digital data output from the AD conversion unit, for example. Further, for example, color separation processing is performed to generate image data RGB representing each image of R (red), G (green), and B (blue), and other signal processing is performed on the image data RGB for monitoring. Output image data D3 is generated. Further, the digital signal processing unit is provided with a functional unit that performs signal compression processing for storing imaging data in a recording medium.
また外部回路は、デジタル信号処理部にてデジタル処理された画像データをアナログの画像信号に変換するDA(Digital to Analog )変換部を備える。DA変換部から出力された画像信号は、液晶モニタなどの表示デバイスに送られる。操作者は、この表示デバイスに表示されるメニューや画像を見ながら、撮像モードを切り替えるなどの各種の操作を行なうことが可能になる。 The external circuit includes a DA (Digital to Analog) conversion unit that converts image data digitally processed by the digital signal processing unit into an analog image signal. The image signal output from the DA converter is sent to a display device such as a liquid crystal monitor. The operator can perform various operations such as switching the imaging mode while viewing the menu and images displayed on the display device.
つまり、本実施形態のカラム型の固体撮像装置1においては、単位画素3からの出力信号(電圧信号)が、垂直信号線19→カラム処理部26(カラム信号処理部25)→水平信号線18→出力回路28の順で伝送される。その駆動は、1行分の画素出力信号は垂直信号線19を介してパラレルにカラム処理部26に送り、処理後の信号は水平信号線18を介してシリアルに出力するようにする。
That is, in the column type solid-
なお、垂直列や水平列ごとの駆動が可能である限り、それぞれのパルス信号を単位画素3に対して水平行方向および垂直列方向の何れから供給するか、すなわちパルス信号を印加するための駆動クロック線の物理的な配線方法は自由である。
As long as driving for each vertical column or horizontal column is possible, each pulse signal is supplied to the
このような構成の固体撮像装置1において、水平走査部12や垂直走査部14およびそれらを制御する通信・タイミング制御部20により、画素アレイ部10の各画素を水平行単位で順に選択し、その選択した1つの水平行分の画素の情報を同時に読み出すタイプのCMOSイメージセンサが構成される。
In the solid-
なおここでは、固体撮像装置の後段の信号処理を担当する外部回路を固体撮像装置(撮像チップ)外で行なう例を示したが、外部回路の全てもしくは一部(たとえばA/D変換部やデジタルアンプ部など)の機能要素を、固体撮像装置のチップに内蔵するように構成してもよい。 Here, an example in which the external circuit in charge of signal processing in the subsequent stage of the solid-state imaging device is performed outside the solid-state imaging device (imaging chip) is shown, but all or a part of the external circuit (for example, an A / D conversion unit or digital) A functional element such as an amplifier unit may be built in a chip of the solid-state imaging device.
また、水平選択スイッチ部60や駆動制御部7の全体もしくは前記一機能部分が画素アレイ部10と同一の半導体領域に一体的に形成されたものであることは要件ではない。水平選択スイッチ部60および駆動制御部7を、画素アレイ部10とは異なる回路基板(別の半導体基板に限らず一般的な回路基板をも意味する)、たとえば外部回路が設けられる回路基板に形成してもよい。
Further, it is not a requirement that the entire horizontal selection switch unit 60 and the
なお、固体撮像装置1は、このように各部が半導体領域に一体的に形成された1チップとして形成された形態であってもよいし、図示を割愛するが、画素アレイ部10、駆動制御部7、カラム処理部26などの各種の信号処理部の他に、撮影レンズ、光学ローパスフィルタ、あるいは赤外光カットフィルタなどの光学系をも含む状態で、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態としてもよい。
Note that the solid-
<出力回路の詳細構成:第1構成例と比較例>
図2は出力回路28の本実施形態の第1構成例を説明するブロック図である。また、図3は、比較例としての本実施形態の構成を取らない場合の一般的な出力回路の構成例を説明するブロック図である。
<Detailed Configuration of Output Circuit: First Configuration Example and Comparative Example>
FIG. 2 is a block diagram illustrating a first configuration example of this embodiment of the
図2および図3の双方において、スイッチドキャパシタアンプ(CSA )320は、演算増幅器(オペアンプ)などで構成された差動増幅器322と、差動増幅器322の反転入力端子(−)と出力端子との間に接続された容量値Cfbの帰還容量324と、リセット用のスイッチ(たとえばMOSトランジスタ)326とを有し、全体として、入力側に接続される入力容量との組合せによって容量帰還型の増幅回路として機能するように構成されている。そのアンプゲイン(増幅率)Gamp は、入力容量の容量値Cinと帰還容量324の容量値Cfbで決定され、Gamp =Cin/Cfbとなる。帰還容量324の反転入力端子(−)に接続されるあらゆる容量成分が入力容量となり得、その種類によってスイッチドキャパシタアンプ320は様々な特質を呈する。この点に関しては後で説明する。
2 and 3, the switched capacitor amplifier (CSA) 320 includes a
水平選択スイッチ部60の水平選択スイッチ62の出力側に接続された水平信号線18は、スイッチドキャパシタアンプ320を構成する差動増幅器322の反転入力端子(−)に接続されている。差動増幅器322の非反転入力端子(+)には、基準電圧Vrefが供給されるようになっている。
The
図示しない画素アレイ部10で検知された画素信号S0(Signal Input)は、カラム信号処理部25のCDS機能部にて、信号出力行の各単位画素3において光電変換素子に蓄積された信号電荷(たとえば電子)に応じた信号レベルS0_sigと、光電変換素子をリセットした後のリセットレベルS0_rstとの差が取られて固定バラツキが除去され容量値C1の蓄積容量266に供給され、この蓄積容量266に一旦保持される。ここまでは垂直転送である。
A pixel signal S0 (Signal Input) detected by the pixel array unit 10 (not shown) is stored in the photoelectric conversion element in each
垂直転送が完了すると、続いて水平転送を行なう。たとえば、先ず、水平走査部12によりラインメモリとしての蓄積容量266を順に選択するべく、水平選択スイッチ部60の各水平選択スイッチ62を順にオン/オフ制御し、複数の垂直列に対する共通信号線である水平信号線18に蓄積容量266に保持しておいた画素信号S1を水平信号線18に読み出す。これにより水平信号線18の電位が変化する。水平信号線18上の信号電位は容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320によって増幅された後にサンプルホールド部340に出力される。
When the vertical transfer is completed, the horizontal transfer is subsequently performed. For example, first, in order to sequentially select the
その際の画素信号に関してのアンプゲイン(信号増幅率)Gamp0は、水平信号線18に付帯(寄生)する寄生容量18Cの容量値Cpがホールド容量である蓄積容量266の容量値C1や帰還容量324の容量値Cfbに比べて十分に小さいとすれば、蓄積容量266のみが入力容量Cinであると考えればよく、蓄積容量266の容量値C1とスイッチドキャパシタアンプ320の帰還容量324の容量値Cfbで決定されGamp0=C1/Cfbとなる。
The amplifier gain (signal amplification factor) Gamp0 for the pixel signal at that time is the capacitance value C1 of the
このとき、帰還容量324の構成を複数並列に配置し、それをスイッチで切り替えるなどの様々な対応を採り、帰還容量324の容量値を可変に構成することでアンプゲインGamp0の設定は可変であり、信号量に応じた適切なゲイン設定で増幅できる。スイッチドキャパシタアンプ320で増幅された撮像信号S2はサンプルホールド部340により、各情報を保持した状態で出力される。
At this time, a plurality of configurations of the
連続して画素信号S1を読み出す場合には、各画素信号S1の基準電圧を同じにするため、水平信号線18の寄生容量Cpや帰還容量324を基準電圧Vrefでリセットする。このリセットのため初期化スイッチ326が使用される。また、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320がリセット動作中も後段に信号の出力(リセット状態の信号S2_rst)を維持するため、スイッチドキャパシタアンプ320の後段に、サンプルホールド部340を備え、さらにサンプルホールド部340の後段に信号加算部360を備える。
When the pixel signal S1 is continuously read, the parasitic capacitance Cp and the
サンプルホールド部340は、2系統のサンプルホールド回路340a,230bを有する。信号加算部360は、各後段のアナログアンプ346a2,346b2から出力される信号転送状態の信号S3_sigとリセット状態の信号S3_rstとを加算する。なお、信号加算部360はサンプルホールド回路340aで取得された画素情報とサンプルホールド回路340bで取得された基準情報との差分結果を取得する差分情報取得部として機能し、実際には、信号転送状態の信号S3_sigとリセット状態の信号S3_rstとを差動で加算する差分処理を行なう。
The
ここで、信号加算部360が、信号転送状態の信号S3_sigとリセット状態の信号S3_rstとを差動で加算するに当たっては、各サンプルホールド回路340a,340bからそれぞれ入力される信号S3_sigと信号S3_rstが同一符号であるときには、信号加算部360自身が信号S3_sig,S3_rstの何れか一方に対して予め符号を反転してから加算処理を行なう。一方、各サンプルホールド回路340a,340bからそれぞれ入力される信号S3_sigと信号S3_rstが異符号であるときには、信号加算部360は、その入力された信号S3_sig,S3_rstをそのまま加算処理を行なうだけでよい。本実施形態では、信号S3_sig,S3_rstを異符号とする後者の態様を採ることにする。
Here, when the
サンプルホールド回路340aは、撮像信号S2における信号転送状態の信号S2_sigを抽出して保持し適切な信号出力速度(データレート)で出力時間をあわせるものである。一方、サンプルホールド回路340bは、サンプルホールド回路340aの動作と並行(同期)して、撮像信号S2におけるリセット状態の信号S2_rstを抽出して保持し、サンプルホールド回路340aの信号出力に合わせて出力するものである。
The
具体的には、スイッチドキャパシタアンプ320は、図示しない通信・タイミング制御部20からの駆動パルスCN4に含まれているリセットパルスRST に従って、信号転送状態とリセット状態の2つの状態を切り替えて動作する。具体的には、スイッチドキャパシタアンプ320は、リセットパルスRST がアクティブ期間にスイッチドキャパシタアンプ320をリセットし、インアクティブ期間に読出列に対応する制御出力(水平選択信号φHkに対応する駆動パルスφgk)がアクティブにされることで当該読出列の画素信号S1を取り出し、全体として撮像信号S2を取得する。
Specifically, the switched
ここで本実施形態では、スイッチドキャパシタアンプ320の後段に、サンプルホールド部340を設けている。サンプルホールド部340は、回路図上は同様の構成をなしているサンプルホールド回路を2系統(サンプルホールド回路340a,340b)有するとともに、各系統がそれぞれサンプルホールド回路を2段有する(サンプルホールド回路340a1,340a2,340b1,340b2)。
Here, in the present embodiment, the
サンプルホールド回路340aは、本来の画素情報抽出用のもので、スイッチドキャパシタアンプ320から出力される画素信号転送時の信号レベルを抽出して保持する信号転送情報取得部の一例である。前段のサンプルホールド回路340a1は、スイッチドキャパシタアンプ320から出力される信号レベルの内、初期化スイッチ326がオフ時でかつ水平走査部12の制御の元で水平選択スイッチ62が何れかの蓄積容量266を選択しているタイミングに合わせてアクティブレベルとなるサンプルパルスSPa1に基づき、入力容量としての蓄積容量266に保持されている画素信号をスイッチドキャパシタアンプ320で増幅して出力される信号転送状態の画素情報報を取得して保持する前段の信号転送情報取得部の一例である。後段のサンプルホールド回路340a2は、所定のタイミングでアクティブレベルとなるサンプルパルスSPa2に基づき前段のサンプルホールド回路340a1に保持されている画素情報を取得して保持する後段の信号転送情報取得部の一例である。
The sample-and-
サンプルホールド回路340bは、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320で発生するノイズ成分を抽出して保持する基準情報取得部の一例である。前段のサンプルホールド回路340b1は、初期化スイッチ326をオンさせた初期化後から水平走査部12の制御の元で水平選択スイッチ62が何れかの蓄積容量266を選択するまでのタイミングに合わせてアクティブレベルとなるサンプルパルスSPb1に基づき、初期化スイッチ326のオン時に生じ水平信号線18に付帯する寄生容量18Cに保持されたノイズ成分をスイッチドキャパシタアンプ320で増幅して出力される基準情報を取得して保持する前段の基準情報取得部の一例である。後段のサンプルホールド回路340b2は、所定のタイミングでアクティブレベルとなるサンプルパルスSPb2に基づき前段のサンプルホールド回路340b1に保持されている基準情報を取得して保持する後段の基準情報取得部の一例である。
The sample-and-
各サンプルホールド回路340a1,340a2,340b1,340b2はサンプルスイッチ342(342a1,342a2,342b1,342b2)と、ホールドコンデンサ344(344a1,344a2,344b1,344b2)と、シングルエンド型のアナログアンプ346(346a1,346a2,346b1,346b2)を有している。アナログアンプ346a1,346a2,346b1は非反転型であるがアナログアンプ346b2は反転型である。したがって、差分情報取得部の一例である信号加算部360は、事実上、“S3_sig−S3_rst”の信号を撮像信号S3として出力する減算回路として機能する。
Each sample hold circuit 340a1, 340a2, 340b1, 340b2 includes a sample switch 342 (342a1, 342a2, 342b1, 342b2), a hold capacitor 344 (344a1, 344a2, 344b1, 344b2), and a single-ended analog amplifier 346 (346a1, 346a1, 342b1). 346a2, 346b1, 346b2). The analog amplifiers 346a1, 346a2, and 346b1 are non-inverting types, whereas the analog amplifier 346b2 is an inverting type. Therefore, the
このように、サンプルホールド部340は、本実施形態特有の構成として、本来の画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aとは別系統に、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320で発生するノイズ成分を信号転送状態の信号S2_sigとは別に抽出して保持するためのサンプルホールド回路340bを有している。前述のように、その回路構成はサンプルホールド回路340aと同じである。
As described above, the
画素情報抽出用の前段のサンプルホールド回路340a1に設けられるホールドコンデンサ344a1の容量値はCsha1、後段のサンプルホールド回路340a2に設けられるホールドコンデンサ344a2の容量値はCsha2、基準情報抽出用(事実上のノイズ抽出用となる)のサンプルホールド回路340bの前段のサンプルホールド回路340b1に設けられるホールドコンデンサ344b1の容量値はCshb1、後段のサンプルホールド回路340b2に設けられるホールドコンデンサ344b2の容量値はCshb2である。これらの容量値Csha1,Csha2,Cshb1,Cshb2は、後段の各出力バッファ346の回路構成に応じた最適なものが設定され、一概に小容量であるとか大容量であるとかは決定できない。
The capacitance value of the hold capacitor 344a1 provided in the previous sample hold circuit 340a1 for pixel information extraction is Csha1, the capacitance value of the hold capacitor 344a2 provided in the subsequent sample hold circuit 340a2 is Csha2, and the reference information extraction (actual noise) The capacitance value of the hold capacitor 344b1 provided in the sample hold circuit 340b1 in the preceding stage of the
画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aは、スイッチドキャパシタアンプ320から出力される画素信号S2から信号転送状態の信号S2_sigを抽出する信号抽出部の一例である。この画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aは、カラム出力線268(事実上垂直信号線19)ごとに水平信号線18を基準レベルにリセットしてから信号転送状態の信号S2_sigを読み出すべく、スイッチドキャパシタアンプ320が信号転送状態とリセット状態の2つの状態を持ち、これら2つの状態をリセットパルスRST の制御に従って切り替えて動作するものであることに対応して設けられている。
The sample and hold
前段(1段目)のサンプルスイッチ342a1は、図示しない通信・タイミング制御部20からの駆動パルスCN4に含まれている、サンプリング期間とホールド期間の2つの状態を切り替えるためのタイミングパルスである水平駆動周波数(各水平選択信号φHの切替え周波数)と同じ周波数でかつ同期したサンプルパルスSPa1が入力されるようになっており、サンプルパルスSPa1に基づいてオン/オフ動作することで、サンプリング期間とホールド期間を切り替えて動作する。具体的には、サンプルスイッチ342a1は、サンプルパルスSPa1がアクティブレベルのときに、撮像信号S2のうちの実際に画像として必要な信号転送状態の信号S2_sigのみをホールドコンデンサ344a1にサンプルして、ホールドコンデンサ344a1に記憶する。この記憶された信号転送状態の信号S2_sigはアナログアンプ346a1に供給される。 The sample switch 342a1 in the previous stage (first stage) is a horizontal drive that is a timing pulse for switching between two states of the sampling period and the hold period, which is included in the drive pulse CN4 from the communication / timing control unit 20 (not shown). A sample pulse Spa1 having the same frequency as the frequency (switching frequency of each horizontal selection signal φH) and synchronized is input, and an on / off operation is performed based on the sample pulse Spa1, thereby allowing a sampling period and a hold period. Switch to operate. Specifically, the sample switch 342a1 samples only the signal S2_sig in the signal transfer state that is actually required as an image of the imaging signal S2 into the hold capacitor 344a1 when the sample pulse SPA1 is at the active level, and holds the hold capacitor 344a1. Store in 344a1. The stored signal S2_sig in the signal transfer state is supplied to the analog amplifier 346a1.
後段(2段目)のサンプルスイッチ342a2は、図示しない通信・タイミング制御部20からの駆動パルスCN4に含まれている、サンプリング期間とホールド期間の2つの状態を切り替えるためのタイミングパルスである水平駆動周波数と同じ周波数でかつ同期したサンプルパルスSPa2が入力されるようになっており、サンプルパルスSPa2に基づいてオン/オフ動作することで、サンプリング期間とホールド期間を切り替えて動作する。具体的には、サンプルスイッチ342a2は、サンプルパルスSPa2がアクティブレベルのときに、アナログアンプ346a1から出力されるホールドコンデンサ344a1に保持しておいた前段のサンプルホールド回路340a1にてサンプリングされた信号転送状態の信号S2_sigをホールドコンデンサ344a2にサンプルして、信号S3_sigとしてホールドコンデンサ344a2に記憶する。この記憶された信号転送状態の信号S3_sigはアナログアンプ346a2に供給される。アナログアンプ346a2は、ホールドコンデンサ344a2に保持した信号転送状態の信号S3_sigを反転せずに(正の情報として)信号加算部360に供給する。基本的な構成および動作は、前段のサンプルホールド回路340a1と同じであるが、サンプルパルスSPa2のアクティブレベルのタイミングがサンプルパルスSPa1のアクティブレベルのタイミングと異なる。
The latter-stage (second stage) sample switch 342a2 is a horizontal drive that is a timing pulse for switching between two states of the sampling period and the hold period, which is included in the drive pulse CN4 from the communication / timing control unit 20 (not shown). A sample pulse SPA2 having the same frequency as the frequency and synchronized is input, and the on / off operation is performed based on the sample pulse Spa2, thereby switching between the sampling period and the hold period. Specifically, the sample switch 342a2 is a signal transfer state sampled by the previous sample hold circuit 340a1 held in the hold capacitor 344a1 output from the analog amplifier 346a1 when the sample pulse SPA2 is at the active level. The signal S2_sig is sampled in the hold capacitor 344a2 and stored as the signal S3_sig in the hold capacitor 344a2. The stored signal transfer state signal S3_sig is supplied to the analog amplifier 346a2. The analog amplifier 346a2 supplies the signal S3_sig in the signal transfer state held in the hold capacitor 344a2 to the
基準情報抽出用の前段のサンプルホールド回路340b1に設けられるサンプルスイッチ342b1には、図示しない通信・タイミング制御部20からの駆動パルスCN4に含まれている、サンプリング期間とホールド期間の2つの状態を切り替えるためのタイミングパルスである水平駆動周波数と同じ周波数でかつ同期したサンプルパルスSPb1が入力されるようになっており、サンプルパルスSPb1に基づいてオン/オフ動作することで、サンプリング期間とホールド期間を切り替えて動作する。前段のサンプルホールド回路340b1は、スイッチドキャパシタアンプ320のリセット直後に出力される水平信号線18の基準レベル(=Vref)を抽出する信号抽出部としての機能を持つ。具体的には、サンプルスイッチ342b1は、リセットパルスRST がインアクティブレベル(Lレベル)になりかつサンプルパルスSPa1がアクティブレベル(Hレベル)になるまでの間においてサンプルパルスSPb1がアクティブレベル(Hレベル)のときに、スイッチドキャパシタアンプ320から出力されるリセット状態の信号S2_rstのみをサンプルすることで水平信号線18の基準レベル(=Vref)を抽出し、ホールドコンデンサ344b1にサンプルして、ホールドコンデンサ344b1に記憶する。この記憶されたリセット状態の信号S2_rstはアナログアンプ346b1に供給される。
A sample switch 342b1 provided in the previous sample hold circuit 340b1 for extracting reference information switches between two states of a sampling period and a hold period included in a drive pulse CN4 from a communication / timing control unit 20 (not shown). The sampling pulse SPb1, which is the same frequency as the horizontal drive frequency, which is the timing pulse for synchronization, is input, and the sampling period and hold period are switched by turning on / off based on the sample pulse SPb1. Works. The sample hold circuit 340b1 in the previous stage has a function as a signal extraction unit that extracts the reference level (= Vref) of the
後段のサンプルホールド回路340b1は、図示しない通信・タイミング制御部20からの駆動パルスCN4に含まれている、サンプリング期間とホールド期間の2つの状態を切り替えるためのタイミングパルスである水平駆動周波数と同じ周波数でかつ同期したサンプルパルスSPb2が入力されるようになっており、サンプルパルスSPb2に基づいてオン/オフ動作することで、サンプリング期間とホールド期間を切り替えて動作する。具体的には、サンプルスイッチ342b2は、サンプルパルスSPb2がアクティブレベルのときに、アナログアンプ346b1から出力されるホールドコンデンサ344b1に保持しておいた前段のサンプルホールド回路340b1にてサンプリングされたリセット状態の信号S2_rstをホールドコンデンサ344b2にサンプルして、信号S3_rstとしてホールドコンデンサ344b2に記憶する。この記憶されたリセット状態の信号S3_rstはアナログアンプ346b2に供給される。アナログアンプ346b2は、ホールドコンデンサ344b2に保持したリセット状態の信号S3_rstを反転して(負の情報として)信号加算部360に供給する。基本的な構成および動作は、前段のサンプルホールド回路340b1と同じであるが、サンプルパルスSPb2のアクティブレベルのタイミングがサンプルパルスSPb1のアクティブレベルのタイミングと異なる。
The latter sample hold circuit 340b1 has the same frequency as the horizontal drive frequency, which is a timing pulse for switching between two states of the sampling period and the hold period, which is included in the drive pulse CN4 from the communication / timing control unit 20 (not shown). In addition, a synchronized sample pulse SPb2 is input, and an on / off operation is performed based on the sample pulse SPb2, thereby switching between a sampling period and a hold period. Specifically, the sample switch 342b2 is in the reset state sampled by the previous sample hold circuit 340b1 held in the hold capacitor 344b1 output from the analog amplifier 346b1 when the sample pulse SPb2 is at the active level. The signal S2_rst is sampled in the hold capacitor 344b2, and stored in the hold capacitor 344b2 as the signal S3_rst. The stored reset state signal S3_rst is supplied to the analog amplifier 346b2. The analog amplifier 346b2 inverts the reset signal S3_rst held in the hold capacitor 344b2 (as negative information) and supplies it to the
本実施形態では、サンプルホールド部340の2つの経路をそれぞれ前段、後段と2つのサンプルホールド回路に分けて前段と後段とで異なるタイミングでサンプリングを可能にすることで、信号転送状態の信号S2_sig2およびリセット状態の信号S2_rst2に含まれているリセットノイズの伝達タイミングを調整して出力することを可能にしている。
In the present embodiment, the two paths of the sample and hold
特に、第1構成例では、2つの経路の後段同士でサンプリングのタイミングを揃える、つまり後段の基準情報取得部としての後段のサンプルホールド回路340b2における基準情報の取得タイミングと後段の信号転送情報取得部としての後段のサンプルホールド回路340a2における画素情報の取得タイミングとを合わせる(より具体的には同時にサンプリングする)ことで、信号転送状態の信号S3_sigおよびリセット状態の信号S3_rstに含まれているリセットノイズ(熱雑音Vnrst0)の情報の伝達タイミングを一致させる。 In particular, in the first configuration example, the sampling timings are aligned in the subsequent stages of the two paths, that is, the reference information acquisition timing and the subsequent signal transfer information acquisition unit in the subsequent sample hold circuit 340b2 as the subsequent reference information acquisition unit. By matching the pixel information acquisition timing in the subsequent sample hold circuit 340a2 (more specifically, sampling at the same time), reset noise included in the signal S3_sig in the signal transfer state and the signal S3_rst in the reset state ( The transmission timing of information of the thermal noise Vnrst0) is matched.
一方、図3に示す比較例の出力回路28は、サンプルホールド部340として画素情報抽出用のサンプルホールド回路340を備えるのみで、基準情報抽出用のサンプルホールド回路を備えていない。また、サンプルホールド回路340は1段構成である。
On the other hand, the
本実施形態の出力回路28は、サンプルホールド部340を画素情報抽出用と基準情報抽出用の2系統に分け、信号転送状態の信号転送状態の信号S2_sigとリセット状態の信号S2_rstの双方について、同じ信号処理部(本例ではスイッチドキャパシタアンプ320)から出力される処理済み撮像信号S2を処理対象として信号抽出を行なう。これにより、スイッチドキャパシタアンプ320で発生するノイズ成分(たとえば熱雑音成分)が、2系統の信号に同様に含まれるようになる。ノイズ成分が両方の信号に同様に含まれるようにすることで、その差を取って出力信号を生成することで、出力信号(本例では撮像信号S3)には、ノイズ成分が含まれないことになる。CDS処理と似通った処理となり、スイッチドキャパシタアンプ320で発生するノイズ成分を比較例よりも抑圧することができる。以下、具体的に両者の動作の違いについて説明する。
The
<出力回路の詳細動作:第1構成例と比較例>
図4は、図3に示した比較例の出力回路28の動作を説明するタイミングチャートである。図5は図2に示した本実施形態の第1構成例の出力回路28の動作を説明するタイミングチャートである。
<Detailed Operation of Output Circuit: First Configuration Example and Comparative Example>
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the
図2に示した本実施形態の第1構成例の出力回路28の動作の特徴との対比のため、先ず図3に示した比較例の出力回路28の水平転送方法について図4を参照して説明する。
For comparison with the characteristics of the operation of the
1つの単位画素3についての信号処理は、リセット状態の信号S2_rstを読み出す期間であるアンプリセット期間t10〜t14と信号転送状態の信号S2_sigを読み出す期間であるデータ転送期間t20〜t28で完結される。説明や図中において必要に応じて、処理対象の単位画素3の区別をするため、各タイミングに単位画素3の番号@を利用して“_@”の参照子を付して示す。
The signal processing for one
<比較例の動作>
図4に示す比較例の出力回路28において、@番目の単位画素3(図では1画素目)のスイッチドキャパシタアンプ320をリセット状態とする動作時には、水平選択信号φHをインアクティブLにして水平転送用の水平選択スイッチ62をオフにするとともに、サンプルパルスSPをインアクティブLにして画素情報抽出用のサンプルホールド部340のサンプルスイッチ342をオフにした状態で、リセットパルスRST をアクティブHにしてアンプリセット用の初期化スイッチ326をオンにする(t10_@〜t14_@)。このとき、帰還容量324の両端電位は基準電圧Vrefの電位となり、帰還容量324に蓄積されていた電荷がゼロに初期化される。その結果、差動増幅器322の入力オフセット電圧を無視したときには、スイッチドキャパシタアンプ320の出力電位は基準電圧Vrefと等しくなる。
<Operation of Comparative Example>
In the
一方、画素信号転送時には、リセットパルスRST をインアクティブLにしてアンプリセット用の初期化スイッチ326をオフにした状態で、水平選択信号φHをアクティブHにして水平転送用の水平選択スイッチ62をオンにするとともに(t20_@〜t28_@)、水平選択信号φHのアクティブHの期間(t20_@〜t28_@)内でサンプルパルスSPをアクティブHにして画素情報抽出用のサンプルホールド部340のサンプルスイッチ342aをオンにする(t22_@〜t26_@)。
On the other hand, at the time of pixel signal transfer, with the reset pulse RST set to inactive L and the amplifier
出力回路28は、このような動作を同一行の各単位画素3について繰り返すことで、つまり、図4に示すように、水平選択信号φHおよびリセットパルスRST の制御に従って信号転送状態とリセット状態とを交互に繰り返しながら動作することで、撮像信号S3を取得する。
The
先の説明から分かるように、出力回路28において、スイッチドキャパシタアンプ320は、リセットパルスRST がアクティブ期間(t10_@〜t14_@)にスイッチドキャパシタアンプ320をリセットした後に、リセットパルスRST のインアクティブ期間(t14_@〜t10_@+1)に、水平走査部12により読出列に対応する制御出力(水平転送クロックφHk/φgk)をアクティブHにすることで(t20_@〜t28_@)、スイッチドキャパシタアンプ320は、読出列の画素信号を取り出し、全体として撮像信号S2を取得する。
As can be seen from the above description, in the
このとき、差動増幅器322は帰還容量324を通して負帰還がかかるため、反転入力端子は基準電圧Vrefの電位となる。これにより、蓄積容量266の電荷量(画素信号S1を反映したもの)に応じた対象画素の画素信号電圧V1_@がC1・(V1_@−Vref)に変動し、この変動電荷C1・(V1_@−Vref)が帰還容量324にサンプルホ−ルドされる。このとき、差動増幅器322の出力である撮像信号S2_sigにおける対象画素の画素信号電圧V2_@はC1/Cfb*(Vref−V1_@)となる。事実上、符号が反転するが、これはスイッチドキャパシタアンプ320などで構成された容量帰還型の増幅回路が反転型の増幅回路として機能するからである。
At this time, since the
ここで、実際に画像として必要なのは信号転送状態だけであるので、図3に示すように、スイッチドキャパシタアンプ320の後段にサンプルホールド部340を設ける。そして、図4に示すように、サンプルホールド部340にて、サンプルパルスSPのアクティブ期間(t20_@〜t28_@)にて、撮像信号S2における信号転送状態の信号S2_sigのみを取り出し、これをアナログアンプ346を介して撮像信号S3として出力する。
Here, since only the signal transfer state is actually required as an image, a
ここで、図3に示す比較例の出力回路28における問題点として、スイッチドキャパシタアンプ320をリセットしたとき(初期化スイッチ326をオンさせたとき)に発生するスイッチドキャパシタアンプ320の熱雑音(以下Vnrst0とする)が、初期化スイッチ326をオフさせたリセット解除時には、スイッチドキャパシタアンプ320などで構成された容量帰還型の増幅回路で増幅され、本来の画素信号電圧V2_@に重畳されて撮像信号S3として出力されることである。
Here, as a problem in the
すなわち、スイッチドキャパシタアンプ320をリセットしたときに発生する熱雑音Vnrst0は一旦水平信号線18に付帯(寄生)する容量値Cpの寄生容量18Cに保持される。寄生容量18Cは、スイッチドキャパシタアンプ320の入力側に接続される入力容量としても機能してしまう。このため、リセット後の画素信号成分の転送時には、蓄積容量266に保持されている画素信号S1をアンプゲイン(信号増幅率)Gamp0=C1/Cfbで増幅して出力するだけでなく、寄生容量18Cに保持されている熱雑音Vnrst0も寄生容量18Cと帰還容量324の各容量値の比で表されるゲイン(ノイズ増幅率)Gamp1=Cp/Cfbで増幅して出力する(折り返して出力すると称する)ことになる。ゲインGamp1=Cp/Cfb倍されて折り返された後の熱雑音を熱雑音Vnrst1(=Cp /Cfb*(Vref−Vnrst0);信号電圧としてはV4_@)とする。“S2_sig+Vnrst1:信号電圧としてはV3_@=V2_@+V4_@”がサンプルホールド部340のホールドコンデンサ344に保持されるので、アナログアンプ346から出力される撮像信号S3のS/Nが悪化してしまう。
That is, the thermal noise Vnrst0 generated when the switched
このような熱雑音の問題を解決する一手法として、水平信号線18に寄生する寄生容量18Cの容量値Cpを帰還容量324の容量値Cfbに比べて十分に小さくすること、換言すれば、帰還容量324の容量値を大きくすることが考えられる。容量値Cpが容量値Cfbに比べて十分に小さければ熱雑音Vnrst1は信号転送状態の信号S2_sigに比べて小さくなるので問題はないからでる。しかしながら、多画素化や高解像度化が要求される今日では、水平信号線18に接続される水平選択スイッチ62用のトランジスタの接合容量および水平信号線18自体の配線容量を削減することが非常に困難であり、S/N(Signal (to) Noise ratio )を悪化させる要因として大きな割合を占める。たとえば、デジタルビデオカメラに搭載されるCMOSセンサは、多画素化や高解像度化のため、画素のセルサイズが狭小化されている今日、低照度時のS/N改善が大きな課題となる。
As a technique for solving such a problem of thermal noise, the capacitance value Cp of the
このような状況下においては、図3に示す比較例の出力回路28における前述の問題、すなわち、水平信号線18の寄生容量18Cに蓄積された容量帰還型の増幅回路のリセットに生じる雑音(熱雑音Vnrst0)が、画素信号転送時にゲイン(Cp /Cfb)倍されて折り返され、信号転送状態の信号S2_sigに加算されることに起因してS/Nが大きく悪化してしまうということは改善が望まれる所である。
Under such circumstances, noise (heat) caused by the above-described problem in the
<第1構成例の動作>
そこで、本実施形態の出力回路28においては、本来の画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aとは別系統にサンプルホールド回路340bを設け、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320で発生するノイズ成分を、サンプルホールド回路340bにより信号転送状態の信号S2_sigとは別に基準電圧Vrefから抽出して保持し、サンプルホールド回路340aから出力される信号にも同じように含まれるそのノイズ成分を差分処理により取り除くことで、スイッチドキャパシタアンプ320の熱雑音を低減してS/N向上を図る。
<Operation of First Configuration Example>
Therefore, in the
具体的には、図5に示すように、@番目の単位画素3(図では1画素目)のスイッチドキャパシタアンプ320をリセット状態とする動作時には、先ず、水平選択信号φHをインアクティブLにして水平転送用の水平選択スイッチ62をオフにするとともに、サンプルパルスSPa1,SPb1をインアクティブLにして前段のサンプルホールド回路340a1,340b1のサンプルスイッチ342a1,342b1をオフにした状態で、リセットパルスRST をアクティブHにしてアンプリセット用の初期化スイッチ326をオンにする(t10_@〜t14_@)。このとき、帰還容量324の両端電位は基準電圧Vrefの電位となり、帰還容量324に蓄積されていた電荷がゼロに初期化される。この際に発生する熱雑音Vnrst0は水平信号線18の寄生容量18Cに保持される。
Specifically, as shown in FIG. 5, when the switched
このとき、画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aでは、サンプルパルスSPa1のインアクティブLの期間(t26_@-1〜t22_@)内で、サンプルパルスSPa2をアクティブHにして後段のサンプルホールド回路340a2のサンプルスイッチ342a2をオンすることで、それ以前に前段のサンプルホールド回路340a1のホールドコンデンサ344a1に保持しておいた情報をホールドコンデンサ344a2に取り込み保持する(t11_@〜t16_@)。本例ではt10_@≒t11_@としている。
At this time, in the
また、基準情報抽出用のサンプルホールド回路340bでは、サンプルパルスSPa1のインアクティブLの期間(t18_@-1〜t15_@)内で、好ましくはサンプルパルスSPb1のアクティブHの期間(t10_@〜t14_@)内で、サンプルパルスSPb2をアクティブHにして後段のサンプルホールド回路340b2のサンプルスイッチ342b2をオンすることで、それ以前に前段のサンプルホールド回路340b1のホールドコンデンサ344b1に保持しておいた情報をホールドコンデンサ344b2に取り込み保持する(t12_@〜t13_@)。本例ではt10_@≒t11_@≒t12_@としている。
In the
次に、寄生容量18Cに保持された熱雑音Vnrst0の情報を基準情報抽出用のサンプルホールド回路340bで取り込むべく、リセットパルスRST のアクティブH期間と水平選択信号φHのアクティブH期間の合間(t14_@〜t20_@)に、サンプルパルスSPb1をアクティブHにして前段のサンプルホールド回路340b1のサンプルスイッチ342b1をオンする(t15_@〜t18_@)。これにより、寄生容量18Cに保持されている熱雑音Vnrst0をゲインCp/Cfb倍した熱雑音Vnrst1を含む情報S2_rst(=Cp/Cfb*(Vref−Vnrst0);信号電圧としてはV4_@)がホールドコンデンサ344b1に取り込まれ保持される。
Next, the interval between the active H period of the reset pulse RST and the active H period of the horizontal selection signal φH (t14_ @) in order to capture the information of the thermal noise Vnrst0 held in the
このリセットノイズ(熱雑音Vnrst1)のサンプリングが終了した後の信号転送時には、リセットパルスRST をインアクティブLにしてアンプリセット用の初期化スイッチ326をオフにした状態で、またサンプルパルスSPa2,SPb1,SPb2をインアクティブLにしてサンプルスイッチ342a2,342a2,342b2をオフした状態で、水平選択信号φHをアクティブHにして水平転送用の水平選択スイッチ62をオンにするとともに(t20_@〜t28_@)、水平選択信号φHのアクティブHの期間(t20_@〜t28_@)内でサンプルパルスSPa1をアクティブHにして画素情報抽出用の前段のサンプルホールド部340a1のサンプルスイッチ342a1をオンにする(t22_@〜t26_@)。
At the time of signal transfer after sampling of the reset noise (thermal noise Vnrst1) is completed, the reset pulse RST is set to inactive L and the
これにより、画素信号S1と同時に熱雑音Vnrst0の情報も転送されサンプルスイッチ342a1に保持される。すなわち、スイッチドキャパシタアンプ320の出力である画素信号S1(の画素信号電圧V1_@)をゲインC1_@/Cfb倍した情報を含む画素信号S2_sigが、ホールドコンデンサ344a1に取り込まれ保持される。このときには、画素信号電圧V1_@をゲイン(C1_@/Cfb)倍した真の信号成分V2_@(=C1_@/Cfb*(Vref−V1_@))を含む撮像信号S2_sigと寄生容量18Cに保持されている熱雑音Vnrst0をゲインCp/Cfb倍した熱雑音Vnrst1(=Cp/Cfb*(Vref−Vnrst0))の信号電圧V4_@との合成成分の信号電圧V3_@がホールドコンデンサ344a1に保持される。
As a result, the information of the thermal noise Vnrst0 is also transferred simultaneously with the pixel signal S1 and is held in the sample switch 342a1. That is, the pixel signal S2_sig including information obtained by multiplying the pixel signal S1 (the pixel signal voltage V1_ @ thereof) by the gain C1 _ @ / Cfb, which is the output of the switched
この後、次の“@+1”番目の単位画素3(図では2画素目)のアンプリセットタイミング(t10_@+1〜t14_@+1)に合わせて、画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aおよび基準情報抽出用のサンプルホールド回路340bの各前段のサンプルホールド回路340a1,340b1のホールドコンデンサ344a1,340b1に保持されているそれぞれの電圧V3_@,V4_@はアナログアンプ346a1,346b1を介して後段のサンプルホールド回路340a2,340b2のホールドコンデンサ344a2,340b2に概ね同時に(並列的に)伝達され、それぞれ対応する撮像信号S3_sig,S3_rstとして保持される(t11_@+1〜t16_@+1,t12_@+1〜t13_@+1)。t11_@≒t12_@とすることで、後段のサンプルホールド回路340a2,340b2への信号成分と熱雑音のサンプリングタイミング合わせることができる。
Thereafter, the
ホールドコンデンサ344a2に保持された画素信号抽出の情報(画素信号電圧V2_@と熱雑音Vnrst1を反映した電圧V4_@との合成成分=電圧V3_@)と、ホールドコンデンサ344b2に保持されたリセットノイズの情報(熱雑音Vnrst1を反映した電圧V4_@)は、直ちにそれぞれアナログアンプ346a2,346b2を介して信号加算部360に供給される。このとき、アナログアンプ346a2は、電圧V3_@(=V2_@+V4_@)の符号を反転することなく電圧V5_@として信号加算部360に供給する一方、アナログアンプ346b2はリセットノイズの情報(電圧V4_@)の符号を反転して電圧V6_@として信号加算部360に供給する。
Information on pixel signal extraction held in the hold capacitor 344a2 (composite component of the pixel signal voltage V2_ @ and voltage V4_ @ reflecting the thermal noise Vnrst1 = voltage V3_ @), and information on reset noise held in the hold capacitor 344b2 (The voltage V4_ @ reflecting the thermal noise Vnrst1) is immediately supplied to the
信号加算部360は、アナログアンプ346a2から供給された画素信号抽出の情報(画素信号電圧V2_@と熱雑音Vnrst1を反映した電圧V4_@との合成成分=V5_@)とアナログアンプ346b2から供給された熱雑音Vnrst1の負の情報(V6_@=−V4_@)との間で、“V5_@+V6_@=(V2_@+V4_@)−V4_@)”に従って加算処理(事実上の差分処理)をして撮像信号S3として出力する。これにより、撮像信号S3においては、画素信号の電圧振幅(=V2_@)を保ったまま、熱雑音Vnrst1の情報(=V4_@)がキャンセルされるため、S/Nの高い撮像信号S3が信号加算部360から出力される。換言すれば、信号加算部360の後段に接続される信号処理部では、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320で発生するリセットノイズの影響を受けなくなる。
The
出力回路28は、このような動作を同一行の各単位画素3について繰り返すことで、つまり、図5に示すように、水平選択信号φHおよびリセットパルスRST の制御に従って信号転送状態とリセット状態とを交互に繰り返しながら動作することで、画素信号1行分を連続的に転送可能することができ、1H分の画素信号の水平転送が完結する。
The
このように、本実施形態の第1構成例の出力回路28では、スイッチドキャパシタアンプ320の出力である撮像信号S2の内の信号成分(信号転送状態の信号S2_sigの画素信号電圧V2)をサンプルホールド回路340aで抽出して信号加算部360の一方の入力端子に供給するとともに、同じスイッチドキャパシタアンプ320の出力のうちの基準電圧Vrefをサンプルホールド回路340bで抽出して信号加算部360の他方の入力端子に供給するようにした。
Thus, in the
これにより、後段の信号処理では、容量帰還型の増幅回路を構成するスイッチドキャパシタアンプ320で発生するリセットノイズの影響を受けなくなる。スイッチドキャパシタアンプ320で発生するリセットノイズ(熱雑音)を信号転送用のサンプルホールド回路340aとは別に用意されるサンプルホールド回路340bで保持し、信号加算部360にて差動でリセットノイズをキャンセルする駆動方式とすることで、リセットノイズの影響を抑制してS/Nを改善するのである。画素アレイ部10の単位画素3から伝達される信号振幅を損なうことなく、容量帰還型の増幅回路でリセット時に発生するの熱雑音を低減することで、高S/Nを実現することができる。
As a result, the subsequent signal processing is not affected by the reset noise generated in the switched
また、付加的な効果として、図3に示す比較例の出力回路28の場合において熱雑音を低減させるには容量帰還型の増幅回路に使用される帰還容量324の容量値を大きくしなければならないが、図2に示す本実施形態の第1構成例の出力回路28では、帰還容量324の容量値を大きくしなくても撮像信号S3における熱雑音を低減できるので、レイアウト面積の縮小やチップコストを下げることができる。
Further, as an additional effect, in order to reduce thermal noise in the case of the
また、他の付加的な効果として、リセット解除時の増幅回路の出力情報(ノイズ成分や画素信号成分)はリセット状態の信号レベルに重畳されて出力されるので、容量帰還型の増幅回路をリセットしたことを起因とするノイズ成分の増幅回路の出力情報をサンプルホールド回路340bで画素信号転送前に取得する際には、差動増幅器322のオフセット電圧の情報も同時に取得されることになる。もちろん、サンプルホールド回路340aで画素信号成分を取得する際にも同様である。よって、画素信号転送状態の信号レベルとリセット状態の信号レベルの双方について、同じ信号処理部から出力される処理済み信号を処理対象として信号抽出を行なうことができ、素子ばらつきの影響が抽出される双方の信号に同様に含まれるようになる。素子ばらつきの影響が両方の信号に同様に含まれるようにすることで、その差を取って出力信号を生成すれば、出力信号には、素子ばらつきの成分が含まれないことになり、後段の処理回路においては、容量帰還型の増幅回路を構成する素子のばらつきの影響を排除できる。
As another additional effect, output information (noise component and pixel signal component) of the amplifier circuit at reset release is superimposed on the signal level in the reset state and output, so the capacitor feedback type amplifier circuit is reset. When the output information of the amplification circuit of the noise component due to this is acquired by the
特に第1構成例では、サンプルホールド回路340a,340bともに2段構成とし、前段のサンプルホールド回路340a1,340b1で先ず画素信号電圧V2と基準電圧Vrefをそれに適したタイミングでサンプリングした後に、サンプルホールド回路340a1,340b1のホールドコンデンサ344a1,344b1に保持されている情報を、後段のサンプルホールド回路340a2,340b2でタイミングを揃えてサンプリングして信号加算部360に伝達するようにしているので、1段構成とする場合よりも精度よくリセットノイズの影響を抑制できる。2段目サンプルホールドでタイミングを合わせることでノイズの蓄積期間を同じにし1データのどの部分をみても高S/Nのデータが取れるようにしている。
In particular, in the first configuration example, both the
すなわち、考え方としては、前段のサンプルホールド回路340a1,340b1でホールドコンデンサ344a1,344b1に保持されている情報V3_@a,V3_@bを信号加算部360に伝達して加算処理(事実上の減算処理)を実行する構成(第1変形例と称する)を採ることも考えられる。
That is, as a concept, the information V3_ @ a and V3_ @ b held in the hold capacitors 344a1 and 344b1 in the sample-and-hold circuits 340a1 and 340b1 in the previous stage are transmitted to the
しかしながら第1変形例の場合、アナログアンプ346a1から供給された画素信号抽出の情報(画素信号電圧V2_@と熱雑音Vnrst1の合成成分=V3_@a)とアナログアンプ346b1から供給されたリセットノイズの情報(熱雑音Vnrst1の負の情報=−V3_@b)との間には、サンプルホールドタイミングにズレ(t15〜t22)が存在する。一方、信号加算部360は、信号S3_sig,信号S3_rstを差動で加算する差分処理を常時行なっている。このため、タイミングt15〜t22では、信号加算部360が扱う信号S3_sig,信号S3_rstには、処理対象画素の相違が生じ、差分処理結果にはその分の誤差が生じ精度が低下する。ただし、スイッチドキャパシタアンプ320におけるリセットノイズが処理対象画素に関わらず同一であると考えることができる場合には通常は問題は起きない。しかしながら、1段のサンプルホールドだけでは、ノイズの蓄積期間が異なってしまうので、1データの中で減算処理後のノイズ量にばらつきが生じてしまう。この点を勘案して、2段構成にして高精度の対応をとるか、それとも1段構成にして回路のコンパクト化を図るかを決めるとよい。
However, in the case of the first modification, the pixel signal extraction information (pixel signal voltage V2_ @ and the combined component of thermal noise Vnrst1 = V3_ @ a) supplied from the analog amplifier 346a1 and the reset noise information supplied from the analog amplifier 346b1. There is a deviation (t15 to t22) in the sample hold timing with respect to (negative information of thermal noise Vnrst1 = −V3_ @ b). On the other hand, the
また、信号加算部360における差分処理対象の信号出力タイミングを揃えるという点においては、スイッチドキャパシタアンプ320のリセットノイズの情報を信号成分の出力タイミングと同時化することができればよく、必ずしも2系統のサンプルホールド回路をそれぞれ2段構成にする必要はない。
In addition, in the point that the signal output timings of the difference processing targets in the
たとえば、サンプルホールド回路340b側のみを2段にする構成(第2変形例と称する)を採ることも考えられる。第2変形例の場合、前段のサンプルホールド回路340b1でホールドコンデンサ344b1にサンプリングされた熱雑音Vnrst1の情報の後段のサンプルホールド回路340b2でのサンプリングタイミングを画素情報抽出用のサンプルホールド回路340aのサンプリングタイミング(t22〜t26)に合わせるとよい。こうすることで、回路のコンパクト化を図りつつ、スイッチドキャパシタアンプ320におけるリセットノイズが処理対象画素で異なる場合にも、高精度で対処できる利点がある。
For example, it may be possible to adopt a configuration in which only the
<出力回路の詳細構成:第2構成例>
図6は出力回路28の本実施形態の第2構成例を説明するブロック図である。第2構成例の出力回路28は、第1構成例における信号加算部360とその入力側のアナログアンプ346a2,346b2を纏めて演算増幅器(オペアンプ)などで構成された差動増幅器348に置き換えた態様である。差動増幅器348もアナログアンプであることには相違ない。サンプルスイッチ342a2とホールドコンデンサ344a2と差動増幅器348とで画素情報抽出用の後段のサンプルホールド回路340a2が構成され、サンプルスイッチ342b2とホールドコンデンサ344b2と差動増幅器348とで基準情報抽出用の後段のサンプルホールド回路340b2が構成される。
<Detailed Configuration of Output Circuit: Second Configuration Example>
FIG. 6 is a block diagram illustrating a second configuration example of the
差動増幅器348は、ホールドコンデンサ344a2に保持された画素信号抽出の情報(画素信号電圧V2_@と熱雑音Vnrst1の合成成分=電圧V4_@a)が非反転入力端子(+)に供給される一方、ホールドコンデンサ344b2に保持されたリセットノイズの情報(熱雑音Vnrst1=V4_@b)を含む基準電圧Vrefの情報が反転入力端子(−)に供給される。差動増幅器348は、画素信号抽出の情報(画素信号電圧V2_@と熱雑音Vnrst1の合成成分=電圧V4_@a)とリセットノイズの情報(熱雑音Vnrst1の情報=V4_@b)との間で、“(画素信号電圧V2_@2と熱雑音Vnrst1の合成成分)−熱雑音Vnrst1”に従って差分処理をして撮像信号S3として出力する。これにより、第2構成例においても、画素信号の電圧振幅V2_@は保ったまま、熱雑音Vnrst1がキャンセルされるため、S/Nの高い撮像信号S3が差動増幅器348から出力される。
In the
第1構成例における信号加算部360とその入力側のアナログアンプ346a2,346b2を纏めて1つの差動増幅器348に置き換えることで、回路構成をコンパクトにしつつ、第1構成例における作用効果をそのまま享受できる利点がある。
By replacing the
なお、信号加算部360とその入力側の2つのアナログアンプ346を纏めて1つの差動増幅器348に置き換えるという第2構成例の仕組みは、第1構成例における第1変形例や第2変形例とする場合にも同様に適用でき、第1構成例に対する各変形例の作用効果を同様に享受できる。
The mechanism of the second configuration example in which the
<撮像装置>
図7は、前述の本実施形態の固体撮像装置1と同様の仕組みを利用した物理情報取得装置の一例である撮像装置(カメラシステム)の概略構成を示す図である。撮像装置8は、可視光カラー画像を得る撮像装置になっている。
<Imaging device>
FIG. 7 is a diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus (camera system) that is an example of a physical information acquisition apparatus that uses a mechanism similar to that of the solid-
具体的には、撮像装置8は、太陽光や蛍光灯などの光源801の下にある被写体Zの像を担持する光Lを撮像装置側に導光して結像させる撮影レンズ802と、光学ローパスフィルタ804と、たとえばR,G,Bの色フィルタがベイヤー配列とされている色フィルタ群812と、画素アレイ部10と、画素アレイ部10を駆動する駆動制御部7と、画素アレイ部10から出力された画素信号に対してCDS処理などのアナログ信号処理を施すカラム処理部26と、カラム処理部26から出力された画素信号S1を処理して出力する出力回路28と、出力回路28から出力された撮像信号S3に対して所定の信号処理を施すカメラ信号処理部810を備えている。
Specifically, the imaging device 8 includes a photographing
カメラ信号処理部810は、撮像信号処理部820と、撮像装置8の全体を制御する主制御部として機能するカメラ制御部900とを有する。撮像信号処理部820は、出力回路28から供給されるル撮像信号をデジタルデータに変換するAD変換部821と、色フィルタとして原色フィルタ以外のものが使用されているときにAD変換部821から供給されるデジタル撮像信号をR(赤),G(緑),B(青)の原色信号に分離する原色分離機能を具備した信号分離部822と、信号分離部822によって分離された原色信号R,G,Bに基づいて色信号Cに関しての信号処理を行なう色信号処理部830とを有する。
The camera
また撮像信号処理部820は、信号分離部822によって分離された原色信号R,G,Bに基づいて輝度信号Yに関しての信号処理を行なう輝度信号処理部840と、輝度信号Y/色信号Cに基づいて映像信号VDを生成するエンコーダ部860とを有する。
The imaging
本実施形態のカメラ制御部900は、コンピュータが行なう演算と制御の機能を超小型の集積回路に集約させたCpU(Central Processing Unit )を代表例とする電子計算機の中枢をなすマイクロプロセッサ(microprocessor)902と、読出専用の記憶部であるROM(Read Only Memory)904、随時書込みおよび読出しが可能であるとともに揮発性の記憶部の一例であるRAM(Random Access Memory)906と、図示を割愛したその他の周辺部材を有している。マイクロプロセッサ902、ROM904、およびRAM906を纏めて、マイクロコンピュータ(microcomputer )とも称する。
The
なお、上記において“揮発性の記憶部”とは、装置の電源がオフされた場合には、記憶内容を消滅してしまう形態の記憶部を意味する。一方、“不揮発性の記憶部”とは、装置のメイン電源がオフされた場合でも、記憶内容を保持し続ける形態の記憶部を意味する。記憶内容を保持し続けることができるものであればよく、半導体製のメモリ素子自体が不揮発性を有するものに限らず、バックアップ電源を備えることで、揮発性のメモリ素子を“不揮発性”を呈するように構成するものであってもよい。 In the above description, the “volatile storage unit” means a storage unit in which the stored contents are lost when the power of the apparatus is turned off. On the other hand, the “nonvolatile storage unit” means a storage unit in a form that keeps stored contents even when the main power supply of the apparatus is turned off. Any memory device can be used as long as it can retain the stored contents. The semiconductor memory device itself is not limited to a nonvolatile memory device, and a backup power supply is provided to make a volatile memory device “nonvolatile”. You may comprise as follows.
カメラ制御部900は、システム全体を制御するものである。ROM904にはカメラ制御部900の制御プログラムなどが格納されているが、特に本例では、カメラ制御部900によって、各種の制御パルス(特に前記実施形態との関係においては出力回路28を制御するためのもの)のオン/オフタイミングを設定するためのプログラムが格納されている。RAM906にはカメラ制御部900が各種処理を行なうためのデータなどが格納されている。
The
また、カメラ制御部900は、メモリカードなどの記録媒体924を挿脱可能に構成し、またインターネットなどの通信網との接続が可能に構成している。たとえば、カメラ制御部900は、マイクロプロセッサ902、ROM904、およびRAM906の他に、メモリ読出部907および通信I/F(インタフェース)908を備える。
The
記録媒体924は、たとえば、マイクロプロセッサ902にソフトウェア処理をさせるためのプログラムデータや、輝度信号処理部840からの輝度系信号に基づく測光データDLの収束範囲や露光制御処理(電子シャッタ制御を含む)のための各種の制御パルスのオン/オフタイミングなど、様々な設定値などのデータを登録するなどのために利用される。
The
メモリ読出部907は、記録媒体924から読み出したデータをRAM906に格納(インストール)する。通信I/F908は、インターネットなどの通信網との間の通信データの受け渡しを仲介する。
The
なお、このような撮像装置8は、駆動制御部7およびカラム処理部26を、画素アレイ部10と別体にしてモジュール状のもので示しているが、固体撮像装置1について述べたように、これらが画素アレイ部10と同一の半導体基板上に一体的に形成されたワンチップものの固体撮像装置1を利用してもよいのは言うまでもない。
In addition, although such an imaging device 8 shows the
また、図では、画素アレイ部10や駆動制御部7やカラム処理部26やカメラ信号処理部810の他に、撮影レンズ802、光学ローパスフィルタ804、あるいは赤外光カットフィルタ805などの光学系をも含む状態で、撮像装置8を示しており、この態様は、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態とする場合に好適である。
In the figure, in addition to the
ここで、前述の固体撮像装置1におけるモジュールとの関係においては、図示のように、画素アレイ部10(撮像部)と、AD変換機能や差分(CDS)処理機能を具備したカラム処理部26などの画素アレイ部10側と密接に関連した信号処理部(カラム処理部26の後段のカメラ信号処理部は除く)が纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置1を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置1の後段に、残りの信号処理部であるカメラ信号処理部810を設けて撮像装置8の全体を構成するようにしてもよい。
Here, in relation to the modules in the solid-
または、図示を割愛するが、画素アレイ部10と撮影レンズ802などの光学系とが纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置1を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置1に加えて、カメラ信号処理部810をもモジュール内に設けて、撮像装置8の全体を構成するようにしてもよい。
Alternatively, although not shown, the solid-
また、固体撮像装置1におけるモジュールの形態として、カメラ信号処理部200に相当するカメラ信号処理部810を含めてもよく、この場合には、事実上、固体撮像装置1と撮像装置8とが同一のものと見なすこともできる。
Further, as a module form in the solid-
このような撮像装置8は、「撮像」を行なうための、たとえば、カメラや撮像機能を有する携帯機器として提供される。なお、「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。 Such an imaging device 8 is provided as a portable device having an imaging function, for example, for performing “imaging”. Note that “imaging” includes not only capturing an image during normal camera shooting but also includes fingerprint detection in a broad sense.
このような構成の撮像装置8においては、前述の固体撮像装置1の全ての機能を包含して構成されており、前述の固体撮像装置1の基本的な構成および動作と同様とすることができ、出力回路28として、前述の各構成例もしくはその変形例の何れかを適用することで、水平データ転送おけるスイッチドキャパシタアンプ320のリセットノイズ(熱雑音)の問題を解決できる。
The imaging device 8 having such a configuration is configured to include all the functions of the solid-
1…固体撮像装置、10…画素アレイ部、12…水平走査部、14…垂直走査部、15…垂直制御線、18…水平信号線、18C…寄生容量、19…垂直信号線、20…通信・タイミング制御部、24…読出電流源部、25…カラム信号処理部、26…カラム処理部、266…蓄積容量(入力容量)、266C…ラインメモリ、268…カラム出力線、28…出力回路、3…単位画素、320…スイッチドキャパシタアンプ、322…差動増幅器、324…帰還容量、326…初期化スイッチ、340…サンプルホールド部、340a…サンプルホールド回路、340a1…前段のサンプルホールド回路、340a2…後段のサンプルホールド回路、340b…サンプルホールド回路、340b1…前段のサンプルホールド回路、340b2…後段のサンプルホールド回路、342…サンプルスイッチ、344…ホールドコンデンサ、346…アナログアンプ、348…差動増幅器、360…信号加算部、60…水平選択スイッチ部、62…水平選択スイッチ、7…駆動制御部、8…撮像装置、900…カメラ制御部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記画素アレイ部の各単位画素から列方向に読み出された画素信号を保持する容量素子を具備する複数の画素信号保持部と、
前記画素信号保持部を順次選択する選択部と、
前記選択部により選択された前記画素信号保持部から出力される画素信号を伝送する信号線と、
増幅素子、前記増幅素子の入出力間に接続された帰還容量、および前記帰還容量の両端電圧を初期化する初期化スイッチを具備し、前記画素信号保持部の前記容量素子を入力容量として動作する容量帰還型の増幅回路と、
前記初期化スイッチがオフ時でかつ前記選択部が前記画素信号保持部を選択していないときに前記初期化スイッチのオン時に生じ前記信号線に付帯する容量に保持されたノイズ成分を前記増幅回路で増幅して出力される基準情報と、前記初期化スイッチがオフ時でかつ前記選択部が前記画素信号保持部を選択しているときに前記入力容量に保持されている画素信号を前記増幅回路で増幅して出力される信号転送状態の画素情報とに基づき、前記初期化により前記増幅回路の出力信号に生じるノイズを抑制するノイズ抑制部と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A pixel array unit in which unit pixels are arranged in a matrix;
A plurality of pixel signal holding units each including a capacitive element that holds a pixel signal read in a column direction from each unit pixel of the pixel array unit;
A selection unit for sequentially selecting the pixel signal holding unit;
A signal line for transmitting a pixel signal output from the pixel signal holding unit selected by the selection unit;
An amplifying element, a feedback capacitor connected between the input and output of the amplifying element, and an initialization switch that initializes a voltage across the feedback capacitor, and operates using the capacitor element of the pixel signal holding unit as an input capacitor A capacitive feedback amplifier circuit;
When the initialization switch is off and the selection unit does not select the pixel signal holding unit, a noise component generated when the initialization switch is turned on and held in a capacitor attached to the signal line The amplification circuit outputs the reference information that is amplified and output and the pixel signal held in the input capacitor when the initialization switch is off and the selection unit selects the pixel signal holding unit A solid-state imaging device comprising: a noise suppression unit that suppresses noise generated in the output signal of the amplifier circuit by the initialization based on the pixel information of the signal transfer state that is amplified and output in step.
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The noise suppression unit is acquired by a reference information acquisition unit that acquires and holds the reference information, a signal transfer information acquisition unit that acquires and holds pixel information of the signal transfer state, and the reference information acquisition unit The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a difference information acquisition unit that acquires a difference result between reference information and pixel information acquired by the signal transfer information acquisition unit.
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 The reference information acquisition unit and the signal transfer information acquisition unit are configured to be able to align each output timing of reference information and pixel information used for processing in the difference information acquisition unit. The solid-state imaging device according to claim 2.
前記画素アレイ部の各単位画素から列方向に読み出された画素信号を保持する容量素子を具備する複数の画素信号保持部と、
前記画素信号保持部を順次選択する選択部と、
前記選択部により選択された前記画素信号保持部から出力される画素信号を伝送する信号線と、
増幅素子、前記増幅素子の入出力間に接続された帰還容量、および前記帰還容量の両端電圧を初期化する初期化スイッチを具備し、前記画素信号保持部の前記容量素子を入力容量として動作する容量帰還型の増幅回路と、
前記初期化スイッチがオフ時でかつ前記選択部が前記画素信号保持部を選択していないときに前記初期化スイッチのオン時に生じ前記信号線に付帯する容量に保持されたノイズ成分を前記増幅回路で増幅して出力される基準情報と、前記初期化スイッチがオフ時でかつ前記選択部が前記画素信号保持部を選択しているときに前記入力容量に保持されている画素信号を前記増幅回路で増幅して出力される信号転送状態の画素情報とに基づき、前記初期化により前記増幅回路の出力信号に生じるノイズを抑制するノイズ抑制部と
前記増幅回路および前記ノイズ抑制部を制御するための制御情報を生成する主制御部と
を備えたことを特徴とする撮像装置。 A pixel array unit in which unit pixels are arranged in a matrix;
A plurality of pixel signal holding units each including a capacitive element that holds a pixel signal read in a column direction from each unit pixel of the pixel array unit;
A selection unit for sequentially selecting the pixel signal holding unit;
A signal line for transmitting a pixel signal output from the pixel signal holding unit selected by the selection unit;
An amplifying element, a feedback capacitor connected between the input and output of the amplifying element, and an initialization switch that initializes a voltage across the feedback capacitor, and operates using the capacitor element of the pixel signal holding unit as an input capacitor A capacitive feedback amplifier circuit;
When the initialization switch is off and the selection unit does not select the pixel signal holding unit, a noise component generated when the initialization switch is turned on and held in a capacitor attached to the signal line The amplification circuit outputs the reference information that is amplified and output and the pixel signal held in the input capacitor when the initialization switch is off and the selection unit selects the pixel signal holding unit And a noise suppression unit that suppresses noise generated in the output signal of the amplification circuit by the initialization based on the pixel information of the signal transfer state that is amplified and output in step, and for controlling the amplification circuit and the noise suppression unit An imaging apparatus comprising: a main control unit that generates control information.
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