JP2010268080A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】画素ピッチを縮小することができる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】2次元アレイ状に配列され、光電変換に基づくアナログ画素信号を生成する複数の画素(111)と、2次元アレイ状の画素の列毎に設けられ、画素からのアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換するA/D変換器とを有し、A/D変換器は、各々が上位ビットのデジタル信号を保持する第1の蓄積部(101)と、各々が下位ビットのデジタル信号を保持する第2の蓄積部(102)と、各々が第1の蓄積部からのデジタル信号を保持する第3の蓄積部(103)と、各々が第2の蓄積部からのデジタル信号を保持する第4の蓄積部(104)とを有し、第1の蓄積部と第3の蓄積部とを含む第1の対と、第2の蓄積部と第4の蓄積部とを含む第2の対とは、2次元アレイ状の画素の列に沿った方向に配置されている固体撮像装置が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。
近年、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の画像入力機器において、撮影画像の高画質化のため固体撮像装置の多画素化が進んでいる。また、コスト低減のために固体撮像装置にA/D変換器を搭載し、デジタル出力を実現するものが現れている。
固体撮像装置に搭載するA/D変換方式の一例としては、カラムA/D変換方式がある(例えば特許文献1)。
カラムA/D変換方式は、画素列毎にA/D変換器をもち、それらを並列動作させるため、固体撮像装置の読み出しを高速化できる。一方、画素の微細化に伴って、各列毎に配置するA/D変換器に対するレイアウト上の制限が厳しくなる。カラムA/D変換器の構成例として、共通のカウンタとランプ信号発生回路を持ち、各行にはセンサ信号とランプ信号の比較回路と、比較回路が比較判定したときにカウンタからのデータを記憶する蓄積部を持つものがある。高画質化のため、A/D変換のビット数が増加すると、カウンタの動作クロックが2のべき乗に比例して速くなる。
動作クロックのスピードを下げるためには、上位ビットと下位ビットを時系列的にデジタル信号に変換する2ステップA/D変換器を採用する方法がある。2ステップA/D変換器としては、特許文献2に示すものがある。
また、カラムA/D変換器を搭載したセンサで読み出し速度を上げるために、ある行のセンサ出力をA/D変換する間に、一行前のA/D変換データを出力する方法がある。これを実現するには、一行前の行の変換データを保持する蓄積部を必要とする。
特開平5−48460号公報 特開2002―232291号公報
上記の特許文献1では、回路図としてビット毎に蓄積部を行に沿った方向に並列に配置しているため、回路図に対応して素子を配置すると、画素間の幅が増加してしまうという課題がある。
また、固体撮像装置の多画素化が進むにつれ画素寸法が小さくなる。列毎にA/D変換器を配置するカラムA/D変換器搭載の固体撮像装置では、多画素化に伴いA/D変換器を含む画素アレイ以外の回路部分を効率的に配置する必要性が高まって来ている。しかしながら、特許文献1、特許文献2共に、カウンタからのデータを蓄積する蓄積部の配置方法については、記載されていない。仮に、特許文献1の図8に示された回路図に対応してA/D変換器と一行前の行の変換データを保持する蓄積部間の配線を行方向に平行して配置すると、画素列毎の蓄積部の幅が大きくなるという課題がある。
本発明の目的は、画素ピッチを縮小することができる固体撮像装置を提供することである。
本発明の固体撮像装置は、2次元アレイ状に配列され、光電変換に基づくアナログ画素信号を生成する複数の画素と、前記2次元アレイ状の画素の列毎に設けられ、前記画素からのアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換するA/D変換器とを有し、前記A/D変換器は、各々が前記上位ビットのデジタル信号を保持する第1の蓄積部と、各々が前記下位ビットのデジタル信号を保持する第2の蓄積部と、各々が前記第1の蓄積部からのデジタル信号を保持する第3の蓄積部と、各々が前記第2の蓄積部からのデジタル信号を保持する第4の蓄積部とを有し、前記第1の蓄積部と前記第3の蓄積部とを含む第1の対と、前記第2の蓄積部と前記第4の蓄積部とを含む第2の対とは、前記2次元アレイ状の画素の列に沿った方向に配置されていることを特徴とする。
2次元アレイ状の画素の行に沿った方向の画素ピッチの縮小が容易となる。
固体撮像装置の全体構成図である。 本発明の第1の実施形態による固体撮像装置を示す配置図である。 本発明の第2の実施形態による固体撮像装置を示す配置図である。 本発明の第3の実施形態による固体撮像装置を示す配置図である。 本発明の第4の実施形態による固体撮像装置を示す配置図である。 蓄積部の構成例を示す図である。 蓄積部の構成例を示す図である。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の全体構成図である。2次元アレイ状に光電変換素子を有する複数の画素111が配置される。光電変換素子は、例えばフォトダイオードであり、光電変換により画素信号を生成する。垂直走査回路113は、行単位で画素111を選択し、選択した画素111で発生するアナログ信号を読み出す。読み出された信号は、画素111の各列に設けられたA/D(アナログ/デジタル)変換器に入力される。A/D変換器は、アナログ信号をデジタル信号に変換する。A/D変換器を構成する比較器110は、読み出した信号と比較信号の大きさを比較する。カウンタ114、115は、画素111の各列に共通に設けられ、デジタル信号値をカウントする。第1の蓄積部101は、画素111の各列に設けられ、第1のカウンタ114から出力されたnビットのデジタル値の上位ビットを保持する。第1の蓄積部101のデータは、第1の蓄積部間配線105を通して、第3の蓄積部103に送られ保持される。第2の蓄積部102は、画素111の各列に設けられ、第2のカウンタ115から出力された、nビットのデジタル値の下位ビットを保持する。第2の蓄積部102のデータは、第2の蓄積部間配線106を通して、第4の蓄積部104に送られ保持される。水平走査回路112は、第3の蓄積部103と、第4の蓄積部104に蓄積されたデータをデジタル出力部109に順次転送する。
次に、A/D変換を含む詳細な動作を説明する。まず、画素111の出力信号と参照信号発生回路116で発生した第1のランプ信号を比較器110で比較し、2つの信号の大きさが反転した直後に、第1のカウンタ114の出力デジタル値を、上位ビットとして第1の蓄積部101に蓄積する。同時に、比較器110は、画素111の出力と第1のランプ信号の差信号を生成し、比較器110に入力する。次に、参照信号発生回路116は、第1のランプ信号より信号レベルの時間に対する変化の傾きが小さな第2のランプ信号を比較器110に入力する。比較器110は、第2のランプ信号と前記差信号とを比較する。2つの信号の大きさが反転した直後に、第2のカウンタ115の出力デジタル値を、下位ビットとして第2の蓄積部102に蓄積する。結果として、第1の蓄積部101及び第2の蓄積部102には、画素111の出力アナログ信号のデジタル変換データが蓄積される。
その後、第1の蓄積部101と第3の蓄積部103間のスイッチ制御により、第1の蓄積部101に蓄積されたデータを第1の蓄積部間配線105を通して第3の蓄積部103に転送して蓄積する。同時に、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104間のスイッチ制御により、第2の蓄積部102に蓄積されたデータを第2の蓄積部間配線106を通して、第4の蓄積部104に転送して蓄積する。これにより、次行の画素111の出力信号をA/D変換して第1の蓄積部101及び第2の蓄積部102に蓄積している間に、1行前のA/D変換信号を第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104からデジタル出力部109に出力することができる。
図2は、図1の固体撮像装置における領域Aの第1の実施形態を示す配置図である。左にはアレイの各列共通の、第1のカウンタ114と第2のカウンタ115がある。蓄積部の配置方法として、第1の蓄積部101と第3の蓄積部103を列方向に近接配置して対とした蓄積部群と、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104を列方向に近接配置して対とした蓄積部群を、それぞれ列方向に配列する。
第1のカウンタ114からのデジタルデータは、データ線107を通って、第1の蓄積部101に供給される。第2のカウンタ115からのデジタルデータは、データ線107を通って、第2の蓄積部郡102に供給される。第1の蓄積部101に保持されたデジタルデータは、第1の蓄積部間配線105を通して、第3の蓄積部103に供給される。第2の蓄積部102に保持されたデジタルデータは、第2の蓄積部間配線106を通して、第4の蓄積部104に供給される。第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104に保持されたデジタルデータは、出力線108を通してデジタル出力部109へ供給される。
なお、図2ではデータ線107を6ビットとして表示しているが、ビット数の制限はない。
(第2の実施形態)
図3は、図1の固体撮像装置における領域Aの第2の実施形態を示す配置図である。図1、図2と同じ部品については、同一の符号で示している。第1の蓄積部101と第3の蓄積部103を行方向に近接配置して対とした蓄積部群と、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104を行方向に近接配置して対とした蓄積部群を、列方向に配列する。図3の配置は、図2に対して縦方向の長さを短くすることが可能となる。
第1のカウンタ114からのデジタルデータは、データ線107を通って、第1の蓄積部101に供給される。第2のカウンタ115からのデジタルデータは、データ線107を通って、第2の蓄積部郡102に供給される。第1の蓄積部101に保持されたデジタルデータは、第1の蓄積部間配線105を通して、第3の蓄積部103に供給される。第2の蓄積部102に保持されたデジタルデータは、第2の蓄積部間配線106を通して、第4の蓄積部104に供給される。第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104に保持されたデジタルデータは、出力線108を通してデジタル出力部109へ供給される。
(第3の実施形態)
図4は、図1における領域Aの第3の実施形態を示す配置図である。図1、図2と同じ部品については、同一の符号で示している。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。第1の蓄積部101と第3の蓄積部103に関しては、図1と同様に、上から蓄積部101−蓄積部103の順で近接配置する。第2の蓄積部102と第4の蓄積部104に関しては、図1とは逆転し、上から蓄積部104−蓄積部102の順で近接配置する。この配置とすることで、出力線108を集中して配線することが可能となり、配置が容易になる。また、出力線108から他の素子へのクロストーク対策を行う際に、必要な面積を小さくすることが可能となる。
図4では、画素領域から見たときの蓄積部の配置順を、上から101,103,104,102の順としているが、上位ビット及び下位ビットの蓄積部の配置順を逆にすることも可能である。すなわち、蓄積部の配置順を、103,101,102,104の順にする。これにより、カウンタからのデータ線107を集中して配線することが可能となり、配置が容易になる。
(第4の実施形態)
図5は、図1の固体撮像装置における領域Aの第4の実施形態を示す配置図である。図1、図2と同じ要素については、同一の符号で示している。以下、本実施形態が第2の実施形態と異なる点を説明する。図3の配置と同様に、第1の蓄積部101と第3の蓄積部103を行方向に近接配置して対とした蓄積部群と、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104を行方向に近接配置して対とした蓄積部群を列方向に配列する。図3との違いは、データ線107と出力線108の配置であり、列方向に107−108−108−107の順で接続する。この配置とすることで、出力線108を集中して配線することが可能となり、配置が容易になる。
なお、データ線107と出力線108の配置を逆とし、列方向に108−107−107−108の順で接続した場合は、データ線107を集中して配線することが可能となり、配置が容易になる。
第1〜第4の実施形態に係る固体撮像装置において、第1〜第4の蓄積部101〜104は、容量素子を用いても良いし、ラッチ回路を用いた構成でも良い。図6に、蓄積部101〜104としてラッチ回路を用いる構成例を示す。
図6は、第1の蓄積部101と第3の蓄積部103との対である蓄積部群が列に沿った方向に近接して配置される構成、又は第2の蓄積部102と第4の蓄積部104との対である蓄積部群が列に沿った方向に近接して配置される構成である。上のラッチ回路が蓄積部101又は102であり、下のラッチ回路が蓄積部103又は104である。ここで、上の電界効果トランジスタのゲート信号がハイレベルになると、カウンタ114又は115からのデータ線107に出力された値が蓄積部101又は102に保持される。また、上の電界効果トランジスタのゲート信号及び下の電界効果トランジスタのゲート信号がハイレベルになると、蓄積部101又は102に保持されたデータが蓄積部103又は104に転送される。
図7は、さらに別の構成例を示す図で、図6の構成に対して、第1の蓄積部101と第3の蓄積部103との間にスイッチが追加され、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104との間にスイッチが追加されている。
以上、本発明の第1〜第4の実施形態を、図面を参照しながら説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、カウンタ及びデジタル出力部の構成及び配置に関しては実施形態以外にも可能である。例えば、上位カウンタ114と下位カウンタ115を別々のカウンタとして説明したが、同一のカウンタであっても良い。画素111の出力を列毎に増幅した後に、A/D変換することも可能である。画素領域から見た各蓄積部の配置順を逆にすることも可能である。画素111の出力信号を1列おきに、上下2方向へ出力し、光電変換素子領域の上下にA/D変換回路及び各蓄積部等を配置することも可能である。
第1〜第4の実施形態の固体撮像装置は、2次元アレイ状に配列され、光電変換に基づくアナログ画素信号を生成する複数の画素111と、A/D(アナログ/デジタル)変換器とを有する。A/D変換器は、2次元アレイ状の画素111の列毎に設けられ、画素111からのアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換する。また、A/D変換器は、第1の蓄積部101、第2の蓄積部102、第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104を有する。第1の蓄積部101は、各々が上位ビットのデジタル信号を保持する。第2の蓄積部102は、各々が下位ビットのデジタル信号を保持する。第3の蓄積部103は、各々が第1の蓄積部101からのデジタル信号を保持する。第4の蓄積部104は、各々が第2の蓄積部102からのデジタル信号を保持する。第1の蓄積部101と第3の蓄積部103とを含む第1の対と、第2の蓄積部102と第4の蓄積部104とを含む第2の対とは、2次元アレイ状の画素111の列に沿った方向に配置されている。
また、A/D変換器は、カウンタ114,115と参照信号発生回路116とを有する。カウンタ114,115は、2次元アレイ状の画素111の各列に共通に設けられ、デジタル信号をカウントする。参照信号発生回路116は、傾きが異なる第1のランプ信号及び第2のランプ信号を生成し、2次元アレイ状の画素111の各列に共通に設けられる。A/D変換器は、2次元アレイ状の画素111からのアナログ画素信号を行単位で入力し、2次元アレイ状の画素111の列毎に画素111からの信号と参照信号発生回路116により生成された第1のランプ信号とを比較する。そして、A/D変換器は、画素111からの信号及び第1のランプ信号の大きさが逆転したときに、カウンタ114,115から供給される上位ビットのデジタル信号を第1の蓄積部101に保持させる。そして、A/D変換器は、画素111からの信号と参照信号発生回路116により生成された第1のランプ信号との差信号を保持し、その後、予め定めたタイミングで、前記差信号と第1のランプ信号より傾きが小さい第2のランプ信号とを比較する。そして、A/D変換器は、前記差信号及び第2のランプ信号の大きさが逆転したときに、カウンタ114,115から供給される下位ビットのデジタル信号を第2の蓄積部102に保持させる。
また、図2では、第1の蓄積部101、第3の蓄積部103、第2の蓄積部102及び第4の蓄積部104は、この順で2次元アレイ状の画素111の列に沿った方向に隣接配置されている。
また、図3では、第1の対をなす第1の蓄積部101と第3の蓄積部103とは、2次元アレイ状の画素111の行に沿った方向に隣接配置される。また、第2の対をなす第2の蓄積部102と第4の蓄積部104とは、2次元アレイ状の画素111の行に沿った方向に隣接配置されている。
また、図4の例を説明する。第1の蓄積部101、第2の蓄積部102、第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104は、第1の蓄積部101、第3の蓄積部103、第4の蓄積部104及び第2の蓄積部102の順で、2次元アレイ状の画素111の列に沿った方向に隣接配置されている。また、第1の蓄積部101、第2の蓄積部102、第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104は、第3の蓄積部103、第1の蓄積部101、第2の蓄積部102及び第4の蓄積部104の順で、2次元アレイ状の画素111の列に沿った方向に隣接配置される。
また、図5では、第1の対をなす第1の蓄積部101と第3の蓄積部103とは、2次元アレイ状の画素111の行に沿った方向に隣接配置される。また、第2の対をなす第2の蓄積部102と第4の蓄積部104とは、2次元アレイ状の画素111の行に沿った方向に隣接配置される。第1のデータ線107は、カウンタ114及び第1の蓄積部101を接続する。第2のデータ線107は、カウンタ115及び第2の蓄積部102を接続する。第1の出力線108は、第3の蓄積部103からデジタル信号を出力する。第2の出力線108は、第4の蓄積部104からデジタル信号を出力する。第1のデータ線107、第2のデータ線107、第1の出力線108及び第2の出力線108は、第1のデータ線107、第1の出力線108、第2の出力線108、第2のデータ線107の順で配置される。また、第1のデータ線107、第2のデータ線107、第1の出力線108及び第2の出力線108は、第1の出力線108、第1のデータ線107、第2のデータ線107、第2の出力線108の順で配置されるようにしてもよい。
第1〜第4の実施形態において、A/D変換器は、2次元アレイ状の画素111から行単位で入力されるアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換する。そして、A/D変換器は、その変換の間に、第3の蓄積部103及び第4の蓄積部104から2次元アレイ状の画素111の1行前のアナログ/デジタル変換したデジタル信号を順次出力する。
第1〜第4の実施形態によれば、固体撮像装置の2次元アレイ状の画素の行に沿った方向の画素ピッチの縮小が容易となる。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
101、102、103、104 蓄積部
105、106 蓄積部間配線
107 データ線
108 出力線
109 デジタル出力部
110 比較器
111 画素
112 水平走査回路
113 垂直走査回路
114、115 カウンタ
116 参照信号発生回路

Claims (7)

  1. 2次元アレイ状に配列され、光電変換に基づくアナログ画素信号を生成する複数の画素と、
    前記2次元アレイ状の画素の列毎に設けられ、前記画素からのアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換するA/D変換器とを有し、
    前記A/D変換器は、
    各々が前記上位ビットのデジタル信号を保持する第1の蓄積部と、
    各々が前記下位ビットのデジタル信号を保持する第2の蓄積部と、
    各々が前記第1の蓄積部からのデジタル信号を保持する第3の蓄積部と、
    各々が前記第2の蓄積部からのデジタル信号を保持する第4の蓄積部とを有し、
    前記第1の蓄積部と前記第3の蓄積部とを含む第1の対と、前記第2の蓄積部と前記第4の蓄積部とを含む第2の対とは、前記2次元アレイ状の画素の列に沿った方向に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記A/D変換器は、
    前記2次元アレイ状の画素の各列に共通に設けられ、デジタル信号をカウントするカウンタと、
    傾きが異なる第1のランプ信号及び第2のランプ信号を生成し、前記2次元アレイ状の画素の各列に共通に設けられた参照信号発生回路とを有し、
    前記A/D変換器は、
    前記2次元アレイ状の画素からのアナログ画素信号を行単位で入力し、
    前記2次元アレイ状の画素の列毎に前記画素からの信号と前記参照信号発生回路により生成された第1のランプ信号とを比較し、
    前記画素からの信号及び前記第1のランプ信号の大きさが逆転したときに、前記カウンタから供給される前記上位ビットのデジタル信号を前記第1の蓄積部に保持させ、
    前記画素からの信号と前記参照信号発生回路により生成された第1のランプ信号との差信号を保持し、
    その後、予め定めたタイミングで、前記差信号と前記第1のランプ信号より傾きが小さい前記第2のランプ信号とを比較し、
    前記差信号及び前記第2のランプ信号の大きさが逆転したときに、前記カウンタから供給される前記下位ビットのデジタル信号を前記第2の蓄積部に保持させることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記第1の蓄積部、前記第3の蓄積部、前記第2の蓄積部及び前記第4の蓄積部は、この順で前記2次元アレイ状の画素の列に沿った方向に隣接配置されてい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。
  4. 前記第1の対をなす前記第1の蓄積部と前記第3の蓄積部とは、前記2次元アレイ状の画素の行に沿った方向に隣接配置され、
    前記第2の対をなす前記第2の蓄積部と前記第4の蓄積部とは、前記2次元アレイ状の画素の行に沿った方向に隣接配置されてい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。
  5. 前記第1の蓄積部、前記第2の蓄積部、前記第3の蓄積部及び前記第4の蓄積部は、前記第1の蓄積部、前記第3の蓄積部、前記第4の蓄積部及び前記第2の蓄積部の順で、又は前記第3の蓄積部、前記第1の蓄積部、前記第2の蓄積部及び前記第4の蓄積部の順で、前記2次元アレイ状の画素の列に沿った方向に隣接配置されてい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。
  6. 前記第1の対をなす前記第1の蓄積部と前記第3の蓄積部とは、前記2次元アレイ状の画素の行に沿った方向に隣接配置され、
    前記第2の対をなす前記第2の蓄積部と前記第4の蓄積部とは、前記2次元アレイ状の画素の行に沿った方向に隣接配置され、
    さらに、
    前記カウンタ及び前記第1の蓄積部を接続する第1のデータ線と、
    前記カウンタ及び前記第2の蓄積部を接続する第2のデータ線と、
    前記第3の蓄積部からデジタル信号を出力する第1の出力線と、
    前記第4の蓄積部からデジタル信号を出力する第2の出力線とを有し、
    前記第1のデータ線、前記第2のデータ線、前記第1の出力線及び前記第2の出力線は、前記第1のデータ線、前記第1の出力線、前記第2の出力線、前記第2のデータ線の順、又は、前記第1の出力線、前記第1のデータ線、前記第2のデータ線、前記第2の出力線の順で配置されることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
  7. 前記A/D変換器は、前記2次元アレイ状の画素から行単位で入力されるアナログ画素信号を、上位ビット及び下位ビットのデジタル信号に時系列に変換する間に、前記第3の蓄積部及び前記第4の蓄積部から前記2次元アレイ状の画素の1行前のアナログ/デジタル変換したデジタル信号を順次出力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。
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