JP2011091724A - Solid state imaging device - Google Patents

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Masahiro Juen
正博 壽圓
Ryuichi Kobayashi
隆一 小林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a post-stage circuit to perform suitable signal processing by appropriately inputting a signal to the post-stage circuit even in the case where the post-stage circuit of an amplification circuit for amplifying a signal from a pixel or a signal corresponding thereto is configured to operate with a power supply voltage lower than a power supply voltage of a pixel part. <P>SOLUTION: A solid state imaging device 1 includes: a pixel 11 for performing photoelectric conversion on incident light; and an amplification circuit 16 to which a signal from the pixel 11 or a signal corresponding thereto is input, and which has a function for amplifying the input signal with a gain whose absolute value is smaller than 1. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

下記特許文献1には、画素アレイのカラムごとに、画素からの信号を増幅する増幅回路(いわゆるカラムアンプ)を持つ固体撮像素子が開示されている。前記増幅回路のゲインは可変とされている。このような従来の固体撮像素子では、前記増幅回路のゲインは1よりも大きく設定されていた。   Patent Document 1 below discloses a solid-state imaging device having an amplifier circuit (a so-called column amplifier) that amplifies a signal from a pixel for each column of a pixel array. The gain of the amplifier circuit is variable. In such a conventional solid-state imaging device, the gain of the amplifier circuit is set to be larger than 1.

また、下記特許文献2には、画素アレイのカラムごとに、アナログデジタル変換器(いわゆるカラムADC)を持つことで、高速化を図った固体撮像素子が開示されている。   Further, Patent Document 2 below discloses a solid-state imaging device that is increased in speed by having an analog-digital converter (so-called column ADC) for each column of a pixel array.

固体撮像素子の更なる高S/N化を図るには、画素の光電子変換効率や電子電圧変換効率を上げて、画素からの信号振幅を大きくするのが最も効果がある。また、前記増幅回路のゲインを可変にして、低感度設定時はゲインを低く、高感度設定時にはゲインを高くすることにより、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を図っている。   In order to further increase the S / N ratio of the solid-state imaging device, it is most effective to increase the photoelectric conversion efficiency and the electronic voltage conversion efficiency of the pixel to increase the signal amplitude from the pixel. In addition, the gain of the amplification circuit is made variable so that the gain is low when setting low sensitivity and high when setting high sensitivity, thereby expanding the dynamic range when low sensitivity and high S / N when sensitivity is high. I am trying.

特開2008−34974号公報JP 2008-34974 A 特開2005−303648号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-303648

前述したような増幅回路ではそのゲインを1以上にするという技術常識に従うと、以下のように、不都合が生ずる場合があることが判明した。   In the amplifier circuit as described above, it has been found that following the technical common sense that the gain is 1 or more may cause inconvenience as follows.

ところで、前記増幅回路の後段の回路を、画素部の電源電圧より低い電源電圧で作動するように構成することが好ましいことが、判明した。例えば、前記増幅回路の後段の回路としてカラムADCを採用する場合、カラムADCを画素部の電源電圧より低い電源電圧で作動するように構成すると、カラムADCを高速で動作させることができるので好ましい。しかし、この場合、カラムADC等である後段の回路の入力可能な電圧振幅が高出力振幅の画素部からの出力可能な電圧振幅よりも小さくなってしまう。したがって、前記増幅回路のゲインを1よりも大きく設定すると、カラムADC等の後段の回路に適切に信号を入力させることができなくなってしまい、後段の回路での適切な信号処理ができなくなってしまう。   By the way, it has been found that it is preferable to configure the subsequent circuit of the amplifier circuit to operate with a power supply voltage lower than the power supply voltage of the pixel portion. For example, when a column ADC is employed as a circuit subsequent to the amplifier circuit, it is preferable that the column ADC be operated at a power supply voltage lower than the power supply voltage of the pixel portion because the column ADC can be operated at high speed. However, in this case, the voltage amplitude that can be input to a subsequent circuit such as a column ADC is smaller than the voltage amplitude that can be output from the pixel portion having a high output amplitude. Therefore, if the gain of the amplifier circuit is set to be larger than 1, it becomes impossible to properly input a signal to a subsequent circuit such as a column ADC, and appropriate signal processing cannot be performed in the subsequent circuit. .

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画素からの信号又はこれに応じた信号を増幅する増幅回路の後段の回路が、画素部の電源電圧よりも低い電源電圧で作動するように構成されていても、後段の回路に適切に信号を入力させて、後段の回路に適切な信号処理を行わせることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a circuit subsequent to an amplifier circuit that amplifies a signal from a pixel or a signal corresponding thereto operates with a power supply voltage lower than the power supply voltage of the pixel portion. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can appropriately input a signal to a subsequent circuit and allow the subsequent circuit to perform appropriate signal processing.

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、入射光を光電変換する画素と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号が入力され、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有する増幅回路と、を備えたものである。この第1の態様において、前記画素から出力される信号が供給される垂直信号線が前記複数の画素の各列に対応して設けられ、前記増幅回路が前記各列に対応して設けられてもよい。   The following aspects are presented as means for solving the problems. The solid-state imaging device according to the first aspect includes a pixel that photoelectrically converts incident light, a signal from the pixel, or a signal corresponding thereto, and a function of amplifying the absolute value with a gain smaller than 1. And. In the first aspect, a vertical signal line to which a signal output from the pixel is supplied is provided corresponding to each column of the plurality of pixels, and the amplifier circuit is provided corresponding to each column. Also good.

第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記増幅回路のゲインは、前記増幅回路の入力信号の変化分に対する前記増幅回路の出力信号の変化分の比であるものである。   In the solid-state imaging device according to the second aspect, in the first aspect, the gain of the amplifier circuit is a ratio of a change in the output signal of the amplifier circuit to a change in the input signal of the amplifier circuit. .

第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記増幅回路のゲインは、互いに異なる複数のゲインに可変であり、前記複数のゲインは、絶対値が1よりも小さいゲインの他に絶対値が1以上のゲインを1つ以上含み、nを0からm(mは1以上の整数)までの整数とし、Aを絶対値が1より小さい所定のゲインであるとしたとき、前記複数のゲインは、2*Aで表される(m+1)個のゲインを含むものである。なお、前記第1及び第2の態様では、前記増幅回路のゲインは、互いに異なる複数のゲインに可変であり、前記複数のゲインは、絶対値が1よりも小さいゲインの他に絶対値が1以上のゲインを1つ以上含んでいる場合において、必ずしも、前記複数のゲインが2*Aで表される(m+1)個のゲインを含んでいなくてもよい。 In the solid-state imaging device according to the third aspect, in the first or second aspect, the gain of the amplifier circuit is variable to a plurality of different gains, and the plurality of gains has an absolute value smaller than 1. In addition to the gain, one or more gains having an absolute value of 1 or more are included, n is an integer from 0 to m (m is an integer of 1 or more), and A is a predetermined gain whose absolute value is smaller than 1. The plurality of gains include (m + 1) gains represented by 2 n * A. In the first and second aspects, the gain of the amplifier circuit is variable to a plurality of different gains, and the plurality of gains has an absolute value of 1 in addition to a gain whose absolute value is smaller than 1. In the case where one or more of the above gains are included, the plurality of gains do not necessarily include (m + 1) gains represented by 2 n * A.

第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記増幅回路は、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と第1の所定電位が印加される部位との間に少なくとも一時的に前記入力部側からその順に直列接続される第1及び第2の分圧容量と、第1の入力端子と第2の所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記第1及び第2の分圧容量間の第1のノードと前記第1の入力端子との間に少なくとも一時的に接続される入力容量と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する第1の帰還回路と、を有するものである。   In the solid-state imaging device according to the fourth aspect, in any one of the first to third aspects, the amplification circuit applies a signal input from the pixel or a signal input unit corresponding thereto and a first predetermined potential. The first and second voltage dividing capacitors connected in series in that order from the input section side, and the first input terminal and the second predetermined potential applied to the second predetermined potential at least temporarily An operational amplifier having an input terminal, an input capacitor connected at least temporarily between the first node between the first and second voltage dividing capacitors and the first input terminal, and the calculation A first that temporarily short-circuits between the output terminal of the amplifier and the first input terminal and temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal. And a feedback circuit.

第5の態様による固体撮像素子は、前記第4の態様において、前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続されたスイッチを備えたものである。   A solid-state imaging device according to a fifth aspect includes, in the fourth aspect, a switch connected between the first node and the first input terminal.

第6の態様による固体撮像素子は、前記第4の態様において、第1乃至第4の容量並びに第1乃至第5のスイッチを備え、前記第1のスイッチ及び前記第1の容量は前記入力部側からその順に前記入力部と前記第1のノードとの間に直列接続され、前記第2のスイッチは、前記入力部と前記第1のノードとの間に接続され、前記第3のスイッチは前記第1のスイッチと前記第1の容量との間の第2のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、前記第3の容量及び前記第4のスイッチは前記第1のノード側からその順に前記第1のノードと前記部位との間に直列接続され、前記第5のスイッチは前記第3の容量と前記第4のスイッチとの間の第3のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、前記第2の容量は前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、前記第4の容量は前記第1のノードと前記部位との間の容量であり、前記第1の分圧容量は前記第1の容量からなり、前記第2の分圧容量は前記第4の容量からなるかあるいは前記第3の容量と前記第4の容量との並列合成容量からなり、前記入力容量は前記第2の容量からなるかあるいは前記第2の容量と前記第3の容量との並列合成容量からなるものである。   A solid-state imaging device according to a sixth aspect includes, in the fourth aspect, first to fourth capacitors and first to fifth switches, wherein the first switch and the first capacitor are the input unit. From the side, the input unit and the first node are connected in series in that order, the second switch is connected between the input unit and the first node, and the third switch is A second node between the first switch and the first capacitor is connected between the first input terminal, and the third capacitor and the fourth switch are connected to the first node. The fifth switch is connected in series between the first node and the part in that order from the side, and the fifth switch is connected to the third node between the third capacitor and the fourth switch. And the second capacitor is connected to the first node and the front terminal. Connected to a first input terminal, the fourth capacitor is a capacitor between the first node and the part, the first voltage dividing capacitor is composed of the first capacitor, The second voltage dividing capacitor is composed of the fourth capacitor or a parallel combined capacitor of the third capacitor and the fourth capacitor, and the input capacitor is composed of the second capacitor or the It consists of a parallel combined capacity of a second capacity and the third capacity.

第7の態様による固体撮像素子は、前記第4の態様において、前記増幅回路は、少なくとも一時的に前記出力端子と前記第1のノードとの間に所定容量値を形成する第2の帰還回路を有するものである。   The solid-state imaging device according to a seventh aspect is the second feedback circuit according to the fourth aspect, wherein the amplifier circuit at least temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal and the first node. It is what has.

第8の態様による固体撮像素子は、前記第7の態様において、前記第2の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量が、前記第1の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量と兼用されたものである。   In the solid-state imaging device according to the eighth aspect, in the seventh aspect, at least a part of the capacitance constituting the second feedback circuit is also used as at least a part of the capacitance constituting the first feedback circuit. It is a thing.

第9の態様による固体撮像素子は、前記第7又は第8の態様において、第1乃至第5の容量並びに第1乃至第7のスイッチを備え、前記第1の容量は前記入力部と前記第1のノードとの間に接続され、前記第1のスイッチ及び前記第2の容量は前記第1のノード側からその順に前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に直列接続され、前記第2のスイッチは前記第1のスイッチと前記第2の容量との間の第2のノードと前記入力部との間に接続され、前記第7のスイッチ及び前記第3の容量は前記第1のノードと前記部位との間に直列接続され、前記第3のスイッチは前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、前記第1の帰還回路は前記第4及び第5の容量並びに前記第5及び第6のスイッチを有し、前記第5のスイッチ及び前記第4の容量は前記第1の入力端子側からその順に前記第1の入力端子と前記出力端子との間に直列接続され、前記第6のスイッチ及び前記第5の容量は前記第1の入力端子と前記出力端子との間に直列接続され、前記第4のスイッチは前記第5のスイッチと前記第4の容量との間の第3のノードと前記第1のノードとの間に接続され、前記第1の分圧容量は前記第1の容量からなり、前記第2の分圧容量は前記第3の容量からなり、前記入力容量は前記第2の容量からなり、前記第2の帰還回路は前記第4の容量及び前記第4のスイッチからなるものである。   A solid-state imaging device according to a ninth aspect includes the first to fifth capacitors and the first to seventh switches in the seventh or eighth aspect, wherein the first capacitor includes the input unit and the first capacitor. The first switch and the second capacitor are connected in series between the first node and the first input terminal in that order from the first node side. The second switch is connected between a second node between the first switch and the second capacitor and the input unit, and the seventh switch and the third capacitor are The third node is connected in series between the first node and the part, the third switch is connected between the first node and the first input terminal, and the first feedback circuit is connected to the fourth node. And a fifth capacitor and the fifth and sixth switches, and the fifth switch. H and the fourth capacitor are connected in series between the first input terminal and the output terminal in that order from the first input terminal side, and the sixth switch and the fifth capacitor are 1 is connected in series between the input terminal and the output terminal, and the fourth switch is between the third node and the first node between the fifth switch and the fourth capacitor. The first voltage dividing capacitor comprises the first capacitor, the second voltage dividing capacitor comprises the third capacitor, the input capacitor comprises the second capacitor, and the first capacitor. The second feedback circuit includes the fourth capacitor and the fourth switch.

前記9の態様において、前記第1の容量の容量値と前記第2の容量の容量値とが等しく、かつ、前記4の容量の容量値と前記第5の容量の容量値が等しくてもよい。   In the ninth aspect, the capacitance value of the first capacitor and the capacitance value of the second capacitor may be equal, and the capacitance value of the fourth capacitor and the capacitance value of the fifth capacitor may be equal. .

第10の態様の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記増幅回路は、第1の入力端子と所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と前記第1の入力端子との間に接続され容量値が複数の異なる値に変わり得るように構成された入力容量回路と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する帰還回路と、を有するものである。   In the solid-state imaging device according to the tenth aspect, in the first or second aspect, the amplifier circuit includes an operational amplifier having a first input terminal and a second input terminal to which a predetermined potential is applied. An input capacitance circuit connected between an input unit of a signal from the pixel or a signal corresponding thereto and the first input terminal and configured to change a capacitance value to a plurality of different values; A feedback circuit that temporarily short-circuits between the output terminal of the amplifier and the first input terminal and temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal. And.

第11の態様による固体撮像素子は、入射光を光電変換する画素と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号が入力される増幅回路と、を備えたものである。前記増幅回路は、第1の入力端子と所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と前記第1の入力端子との間に接続され容量値が複数の異なる値に変わり得るように構成された入力容量回路と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する帰還回路と、を有する。   A solid-state imaging device according to an eleventh aspect includes a pixel that photoelectrically converts incident light, and an amplifier circuit that receives a signal from the pixel or a signal corresponding thereto. The amplifier circuit includes an operational amplifier having a first input terminal and a second input terminal to which a predetermined potential is applied, an input unit for a signal from the pixel or a signal corresponding thereto, and the first input terminal And an input capacitance circuit configured to change the capacitance value to a plurality of different values, and temporarily shorting between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal A feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal.

第12の態様による固体撮像素子は、前記第10又は第11の態様において、前記入力容量回路は複数の容量及び1つ以上のスイッチを有し、前記複数の容量及び前記1つ以上のスイッチは、前記入力容量回路の容量値が前記1つ以上のスイッチのオンオフ状態に応じて前記複数の異なる値に変わり得るように、接続されたものである。   A solid-state imaging device according to a twelfth aspect is the solid-state imaging device according to the tenth or eleventh aspect, wherein the input capacitance circuit has a plurality of capacitors and one or more switches, and the plurality of capacitors and the one or more switches are The capacitance value of the input capacitance circuit is connected so that it can change to the plurality of different values depending on the on / off state of the one or more switches.

本発明によれば、画素からの信号又はこれに応じた信号を増幅する増幅回路の後段の回路が、画素部の電源電圧よりも低い電源電圧で作動するように構成されていても、後段の回路に適切に信号を入力させて、後段の回路に適切な信号処理を行わせることができる固体撮像素子を提供することができる。   According to the present invention, even if the subsequent circuit of the amplification circuit that amplifies the signal from the pixel or the signal corresponding thereto is configured to operate with a power supply voltage lower than the power supply voltage of the pixel unit, It is possible to provide a solid-state imaging device that can appropriately input a signal to a circuit and cause a subsequent circuit to perform appropriate signal processing.

本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 図1中の1つの増幅回路を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing one amplifier circuit in FIG. 1. 本発明の第2の実施の形態における増幅回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the amplifier circuit in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における増幅回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the amplifier circuit in the 3rd Embodiment of this invention. 図4に示す増幅回路の各モードの動作状態とゲインを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an operation state and gain in each mode of the amplifier circuit shown in FIG. 4. 本発明の第4の実施の形態における増幅回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the amplifier circuit in the 4th Embodiment of this invention. 図6に示す増幅回路の各モードの動作状態とゲインを示す図である。It is a figure which shows the operation state and gain of each mode of the amplifier circuit shown in FIG. 図6に示す増幅回路の各モードの動作状態とゲインの設計例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a design example of operation states and gains in respective modes of the amplifier circuit illustrated in FIG. 6. 本発明の第5の実施の形態による固体撮像素子を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the solid-state image sensor by the 5th Embodiment of this invention. 図9中の1つの増幅回路を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing one amplifier circuit in FIG. 9. 図9に示す固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。10 is a timing chart illustrating an example of a reading operation of the solid-state imaging device illustrated in FIG. 9. 本発明の第6の実施の形態における増幅回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the amplifier circuit in the 6th Embodiment of this invention.

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子1を示す回路図である。本実施形態による固体撮像素子1は、2次元状に配置された複数の画素11と、垂直走査回路12と、水平走査回路13と、画素11の各列に対応して設けられ対応する列の画素11の出力信号が供給される垂直信号線14と、各垂直信号線14に接続された定電流源15と、各垂直信号線14に対応して設けられ垂直信号線14の信号を入力電圧Vinとして受けて出力電圧Voutを出力する増幅回路16と、各増幅回路16の出力電圧Voutをアナログデジタル変換するAD変換器20と、水平出力バス線21とを有している。図1において、Vddは画素部の電源電位である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a solid-state imaging device 1 according to the first embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 1 according to this embodiment includes a plurality of pixels 11 arranged in a two-dimensional manner, a vertical scanning circuit 12, a horizontal scanning circuit 13, and a corresponding column provided corresponding to each column of pixels 11. A vertical signal line 14 to which an output signal of the pixel 11 is supplied, a constant current source 15 connected to each vertical signal line 14, and a signal on the vertical signal line 14 provided corresponding to each vertical signal line 14 is input voltage. The amplifier circuit 16 receives the output voltage Vout as Vin, the AD converter 20 converts the output voltage Vout of each amplifier circuit 16 from analog to digital, and a horizontal output bus line 21. In FIG. 1, Vdd is the power supply potential of the pixel portion.

各画素11は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、光電変換部としてのフォトダイオードPDと、電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタAMPと、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタTXと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタRESと、当該画素11を選択するための選択部としての選択トランジスタSELとを有している。   Each pixel 11 outputs a signal corresponding to the photodiode PD as a photoelectric conversion unit, the floating diffusion FD as a charge-voltage conversion unit, and the potential of the floating diffusion FD, as in a general CMOS solid-state imaging device. An amplifying transistor AMP as an amplifying unit, a transfer transistor TX as a charge transferring unit that transfers charges from the photodiode PD to the floating diffusion FD, a reset transistor RES as a resetting unit that resets the potential of the floating diffusion FD, and the pixel 11 and a selection transistor SEL as a selection unit for selecting 11.

転送トランジスタTX、リセットトランジスタRES、選択トランジスタSELのゲートは、行方向に配置される画素11に共通に接続され、行毎に、垂直走査回路12からの駆動信号φTX、φRES、φSELが供給される。   The gates of the transfer transistor TX, the reset transistor RES, and the selection transistor SEL are connected in common to the pixels 11 arranged in the row direction, and drive signals φTX, φRES, and φSEL are supplied from the vertical scanning circuit 12 for each row. .

図2は、図1中の1つの増幅回路16を示す回路図である。各増幅回路16は、入力容量Ciと、演算増幅器OPと、帰還容量Cfと、クランプ制御信号に応答してオンオフするクランプ制御スイッチSfで構成されている。垂直信号線14が増幅回路16の入力部、演算増幅器OPの出力端子が増幅回路16の出力部となっている。演算増幅器OPは差動増幅回路等を用いて構成されている。図2中のVrefは一定電位である。以下の説明では、入力容量Ciの容量値も同じ符号Ciで示すものとする。この点は、帰還容量Cfや、後述する各容量についても同様である。   FIG. 2 is a circuit diagram showing one amplifier circuit 16 in FIG. Each amplifier circuit 16 includes an input capacitor Ci, an operational amplifier OP, a feedback capacitor Cf, and a clamp control switch Sf that is turned on / off in response to a clamp control signal. The vertical signal line 14 is an input part of the amplifier circuit 16, and the output terminal of the operational amplifier OP is an output part of the amplifier circuit 16. The operational amplifier OP is configured using a differential amplifier circuit or the like. Vref in FIG. 2 is a constant potential. In the following description, the capacitance value of the input capacitance Ci is also denoted by the same reference symbol Ci. This also applies to the feedback capacitor Cf and each capacitor described later.

この増幅回路16のリセット(アンプリセット)は、スイッチSfをオンすることにより行われる。これにより、演算増幅器OPの出力端子が所定電位Vrefにクランプされる。その後の増幅動作時には、スイッチSfがオフした状態で、入力電圧Vinがアンプリセット時の電圧からΔVinだけ変化するとき、出力電圧Voutが電位VrefからΔVoutだけ変化するものとすると、Vout−Vref=ΔVout=−(Ci/Cf)*ΔVinとなる。ここで、ΔVin=Vsig−Vdarkとされる。Vdarkは、アンプリセット時において、画素11のリセットトランジスタがオンした状態に応じて垂直信号線14に得られるいわゆるダーク信号である。Vsigは、アンプリセット後に、フォトダイオードPDからの信号がフローティングディフュージョンFDに転送されたときに垂直信号線14に得られるいわゆる光信号である。ΔVin=Vsig−Vdarkとされる点は、後述する各実施の形態についても同様である。   The amplification circuit 16 is reset (amplifier reset) by turning on the switch Sf. As a result, the output terminal of the operational amplifier OP is clamped to the predetermined potential Vref. In the subsequent amplification operation, when the input voltage Vin changes by ΔVin from the voltage at the time of resetting the amplifier with the switch Sf turned off, if the output voltage Vout changes from the potential Vref by ΔVout, then Vout−Vref = ΔVout = − (Ci / Cf) * ΔVin. Here, ΔVin = Vsig−Vdark. Vdark is a so-called dark signal obtained on the vertical signal line 14 in accordance with the reset transistor of the pixel 11 being turned on at the time of amplifier reset. Vsig is a so-called optical signal obtained on the vertical signal line 14 when the signal from the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD after the amplifier reset. The point of ΔVin = Vsig−Vdark is the same for each embodiment described later.

したがって、増幅回路16のゲイン(ΔVout/ΔVin)は−(Ci/Cf)となる。本実施の形態では、このゲインの絶対値が1よりも小さく設定されている。すなわち、(Ci/Cf)<1に設定されている。これにより、本実施の形態では、増幅回路16は、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有している。   Therefore, the gain (ΔVout / ΔVin) of the amplifier circuit 16 is − (Ci / Cf). In the present embodiment, the absolute value of this gain is set smaller than 1. That is, (Ci / Cf) <1 is set. Thus, in the present embodiment, the amplifier circuit 16 has a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1.

各AD変換器20は、対応する増幅回路16の出力電圧Voutをアナログデジタル変換する。AD変換器20の具体的な構成としては、公知の種々の構成を採用することができる。図面には示していないが、例えば、各AD変換器20は、ランプ信号と入力(ここでは、増幅回路16の出力電圧Vout)とを比較する比較部と、ランプ信号の開始時からの経過時間に応じたカウント値を得るカウンタのカウンタ値を、前記比較部による比較結果に応じてラッチするラッチ部などを備えた構成とされる。このとき、ランプ信号の発生部などは各AD変換器20に共通して設けられる。   Each AD converter 20 converts the output voltage Vout of the corresponding amplifier circuit 16 from analog to digital. As a specific configuration of the AD converter 20, various known configurations can be employed. Although not shown in the drawing, for example, each AD converter 20 includes a comparison unit that compares the ramp signal with an input (here, the output voltage Vout of the amplifier circuit 16), and an elapsed time from the start of the ramp signal. And a latch unit that latches the counter value of the counter that obtains the count value according to the comparison result by the comparison unit. At this time, a ramp signal generator and the like are provided in common to each AD converter 20.

本実施の形態では、各AD変換器20は、その微細化を進めてAD変換器20を高速で動作させるために、画素部の電源電圧Vdよりも低い電源電圧で作動するように構成されている。これにより、AD変換器20の入力可能な電圧振幅は、画素11から垂直信号線14へ出力可能な電圧振幅よりも小さくなっている。   In the present embodiment, each AD converter 20 is configured to operate at a power supply voltage lower than the power supply voltage Vd of the pixel portion in order to advance the miniaturization and operate the AD converter 20 at high speed. Yes. Thereby, the voltage amplitude that can be input to the AD converter 20 is smaller than the voltage amplitude that can be output from the pixel 11 to the vertical signal line 14.

水平走査回路13は、列毎に水平走査信号φHを出力し、その信号を各AD変換器20に供給する。これにより、各AD変換器20により変換されたデジタル信号が、所定ビット数の水平出力バス線21へ順次出力され、水平出力バス線21により外部へ出力されるようになっている。   The horizontal scanning circuit 13 outputs a horizontal scanning signal φH for each column and supplies the signal to each AD converter 20. As a result, the digital signals converted by the AD converters 20 are sequentially output to the horizontal output bus line 21 having a predetermined number of bits and output to the outside through the horizontal output bus line 21.

本実施の形態によれば、増幅回路16は絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有しているので、増幅回路16の後段の回路であるAD変換器20が受け取れる電圧振幅が、画素11の出力可能な電圧振幅よりも小さくて、画素11から大きなレベルの電圧が出力される場合であっても、AD変換器20への信号伝達を適切に行うことができる。   According to the present embodiment, the amplifier circuit 16 has a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1. Therefore, the voltage amplitude that can be received by the AD converter 20 that is a circuit subsequent to the amplifier circuit 16 is as follows. Even in the case where a large voltage level is output from the pixel 11 that is smaller than the voltage amplitude that can be output from the pixel 11, signal transmission to the AD converter 20 can be performed appropriately.

なお、本発明では、垂直信号線14と増幅回路16の入力部との間に、バッファ等の信号処理部を介在させ、増幅回路16の入力部に、垂直信号線14の信号(画素11からの信号)に応じた信号が入力されるようにしてもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。   In the present invention, a signal processing unit such as a buffer is interposed between the vertical signal line 14 and the input unit of the amplifier circuit 16, and the signal (from the pixel 11) of the vertical signal line 14 is input to the input unit of the amplifier circuit 16. A signal corresponding to the signal (1) may be input. This also applies to each embodiment described later.

[第2の実施の形態]
前記第1の実施の形態では、(Ci/Cf)<1に設定されているので、演算増幅器OPの信号フィードバック量が大きく、アンプの位相余裕が小さくなり、不安定になり易い。したがって、演算増幅器OPの設計によっては、最悪発振するおそれもある。このため、前記増幅回路16では、その安定化を図るためには、演算増幅器OPの回路設計が比較的困難となる。この不都合を解消したのが、本発明の第2の実施の形態である。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, since (Ci / Cf) <1 is set, the signal feedback amount of the operational amplifier OP is large, the phase margin of the amplifier is small, and it tends to be unstable. Therefore, the worst oscillation may occur depending on the design of the operational amplifier OP. Therefore, in the amplifier circuit 16, it is relatively difficult to design the operational amplifier OP in order to stabilize it. This inconvenience is solved in the second embodiment of the present invention.

図3は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子において用いられている増幅回路26を示す回路図である。本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、各増幅回路16が増幅回路26で置き換えられている点のみである。   FIG. 3 is a circuit diagram showing an amplifier circuit 26 used in the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment is different from the first embodiment only in that each amplifier circuit 16 is replaced with an amplifier circuit 26.

増幅回路26は、入力電圧Vinが供給される入力部と第1の所定電位が印加される部位Xとの間に、少なくとも一時的に前記入力部側からその順に直列接続される第1の分圧容量C1及び第2の分圧容量Caを有している。本実施の形態では、前記第1の所定電位は接地電位とされ、前記第1の所定電圧が印加される部位は接地部とされている。もっとも、前記第1の所定電位は必ずしも接地電位に限らない。本実施の形態では、第1及び第2の分圧容量C1,Caは、前記入力部と接地部との間に、直列接続されている。   The amplifying circuit 26 includes a first component connected in series between the input unit to which the input voltage Vin is supplied and the part X to which the first predetermined potential is applied, in that order from the input unit side. It has a pressure capacity C1 and a second voltage dividing capacity Ca. In the present embodiment, the first predetermined potential is a ground potential, and a portion to which the first predetermined voltage is applied is a ground portion. However, the first predetermined potential is not necessarily limited to the ground potential. In the present embodiment, the first and second voltage dividing capacitors C1 and Ca are connected in series between the input unit and the ground unit.

また、増幅回路26は、−入力端子と第2の所定電位Vrefが印加される+入力端子とを有する演算増幅器OPと、分圧容量C1,Ca間の第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に少なくとも一時的に接続される入力容量C2と、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間を一時的に短絡にするとともに演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する第1の帰還回路とを有している。本実施の形態では、入力容量C2は、ノードN1と−入力端子との間に接続されている。また、本実施の形態では、前記第1の帰還回路は、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に並列接続されたスイッチSf及び容量Cfで構成されている。   The amplifier circuit 26 includes an operational amplifier OP having a −input terminal and a + input terminal to which a second predetermined potential Vref is applied, a first node N1 between the voltage dividing capacitors C1 and Ca, and the operational amplifier OP. The input capacitor C2 connected at least temporarily between the input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP and the input terminal are temporarily short-circuited, and the output terminal and the input terminal of the operational amplifier OP; And a first feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value. In the present embodiment, the input capacitor C2 is connected between the node N1 and the negative input terminal. In the present embodiment, the first feedback circuit includes a switch Sf and a capacitor Cf connected in parallel between the output terminal and the negative input terminal of the operational amplifier OP.

さらに、増幅回路26は、ノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続されたスイッチSrを有している。スイッチSrは、入力容量C2と並列に接続される。   Furthermore, the amplifier circuit 26 has a switch Sr connected between the node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP. The switch Sr is connected in parallel with the input capacitor C2.

この増幅回路26のリセット(アンプリセット)は、スイッチSr,Sfを両方ともオンすることで行う。その後の増幅動作時には、スイッチSr,Sfがオフした状態で、入力電圧Vinがアンプリセット時の電圧からΔVinだけ変化するとき、ノードN1の電圧VaがΔVaだけ変化し、出力電圧Voutが電位VrefからΔVoutだけ変化するものとする。すると、ΔVaは下記式1で表され、ΔVoutは下記式2で表される。式1を式2に代入することで、式3が得られる。   The amplifier circuit 26 is reset (amplifier reset) by turning on both the switches Sr and Sf. During the subsequent amplification operation, when the input voltage Vin changes by ΔVin from the voltage at the time of amplifier reset with the switches Sr and Sf turned off, the voltage Va at the node N1 changes by ΔVa and the output voltage Vout changes from the potential Vref. It is assumed that it changes by ΔVout. Then, ΔVa is expressed by the following formula 1, and ΔVout is expressed by the following formula 2. By substituting Equation 1 into Equation 2, Equation 3 is obtained.

ΔVa=(C1/(C1+C2+Ca))*ΔVin …式1
ΔVout=−(C2/Cf)*ΔVa …式2
ΔVout=−[(C1*C2)/{Cf*(C1+C2+Ca)}]*ΔVin …式3
したがって、この増幅回路26のゲイン(ΔVout/ΔVin)は−[(C1*C2)/{Cf*(C1+C2+Ca)}]となる。ここで、C1/(C1+C2+Ca)は必ず1よりも小さくなる。よって、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値を1よりも小さくしつつ、(−C2/Cf)の絶対値を1以上に大きくして演算増幅器OPの信号フィードバック量を小さく設定することが簡単にでき、本実施の形態ではそのように設定されている。
ΔVa = (C1 / (C1 + C2 + Ca)) * ΔVin Equation 1
ΔVout = − (C2 / Cf) * ΔVa Equation 2
ΔVout = − [(C1 * C2) / {Cf * (C1 + C2 + Ca)}] * ΔVin Equation 3
Therefore, the gain (ΔVout / ΔVin) of the amplifier circuit 26 is − [(C1 * C2) / {Cf * (C1 + C2 + Ca)}]. Here, C1 / (C1 + C2 + Ca) is always smaller than 1. Therefore, it is easy to set the signal feedback amount of the operational amplifier OP to be small by increasing the absolute value of (−C2 / Cf) to 1 or more while making the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) smaller than 1. In this embodiment, it is set as such.

本実施の形態では、増幅回路26は、絶対値が1よりも小さいゲイン(ΔVout/ΔVin)で増幅する機能を有しているので、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。しかも、本実施の形態では、(−C2/Cf)の絶対値を1以上に大きくして演算増幅器OPの信号フィードバック量を小さくしているので、増幅回路26の安定化を図るための演算増幅器OPの回路設計が簡単になる。   In the present embodiment, the amplifier circuit 26 has a function of amplifying with a gain (ΔVout / ΔVin) whose absolute value is smaller than 1. Therefore, the same advantage as the first embodiment can be obtained. Moreover, in the present embodiment, since the absolute value of (−C2 / Cf) is increased to 1 or more to reduce the signal feedback amount of the operational amplifier OP, the operational amplifier for stabilizing the amplifier circuit 26 is obtained. The circuit design of the OP is simplified.

なお、増幅回路26が有するスイッチSr,Sfは例えばトランジスタで構成され、そのゲートに制御信号を供給することで、スイッチSr,Sfのオンオフ状態を制御できるようになっている。この点は、後述する各実施の形態の増幅回路が有する各スイッチについても同様である。   Note that the switches Sr and Sf included in the amplifier circuit 26 are composed of transistors, for example, and the on / off states of the switches Sr and Sf can be controlled by supplying a control signal to the gates. This also applies to each switch included in an amplifier circuit according to each embodiment described later.

[第3の実施の形態]
図4は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子において用いられている増幅回路36を示す回路図である。本実施の形態が前記第2の実施の形態と異なる所は、各増幅回路26が増幅回路36で置き換えられている点のみである。増幅回路36は、以下に説明する構成を持つように、増幅回路26を改変したものである。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an amplifier circuit 36 used in the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The present embodiment is different from the second embodiment only in that each amplifier circuit 26 is replaced with an amplifier circuit 36. The amplifier circuit 36 is obtained by modifying the amplifier circuit 26 so as to have the configuration described below.

増幅回路36は、第1の容量C1と、第2の容量C2と、第3の容量Caと、第4の容量Cbと、第1乃至第5のスイッチS1〜S5と、−入力端子と第2の所定電位Vrefが印加される+入力端子とを有する演算増幅器OPと、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間を一時的に短絡にするとともに演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する第1の帰還回路とを有している。垂直信号線14が増幅回路36の入力部、演算増幅器OPの出力端子が増幅回路36の出力部となっている。   The amplifier circuit 36 includes a first capacitor C1, a second capacitor C2, a third capacitor Ca, a fourth capacitor Cb, first to fifth switches S1 to S5, a negative input terminal, and a first input terminal. An operational amplifier OP having a + input terminal to which a predetermined potential Vref of 2 is applied, and the output terminal and − input terminal of the operational amplifier OP are temporarily short-circuited, and the output terminal and − input of the operational amplifier OP And a first feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value with the terminal. The vertical signal line 14 is an input part of the amplifier circuit 36, and the output terminal of the operational amplifier OP is an output part of the amplifier circuit 36.

第1のスイッチS1及び第1の容量C1は、前記入力部側からその順に、前記入力部と第1のノードN1との間に直列接続されている。第2のスイッチS2は、前記入力部と第1のノードN1との間に接続されている。第4の容量Cbは、第1のノードN1と接地部(第1の所定電圧としての接地電位が印加される部位としての接地部)との間に存在する寄生容量である。第3のスイッチS3は、第1のスイッチS1と第1の容量C1との間の第2のノードN2と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続されている。第3の容量Ca及び第4のスイッチS4は、第1のノードN1側からその順に、第1のノードN1と接地部との間に直列接続されている。第5のスイッチS5は、第3の容量Caと第4のスイッチS4との間の第3のノードN3と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続されている。第2の容量C2は、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続されている。   The first switch S1 and the first capacitor C1 are connected in series between the input unit and the first node N1 in that order from the input unit side. The second switch S2 is connected between the input unit and the first node N1. The fourth capacitor Cb is a parasitic capacitance that exists between the first node N1 and the ground part (a ground part as a part to which the ground potential as the first predetermined voltage is applied). The third switch S3 is connected between the second node N2 between the first switch S1 and the first capacitor C1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP. The third capacitor Ca and the fourth switch S4 are connected in series between the first node N1 and the ground portion in that order from the first node N1 side. The fifth switch S5 is connected between the third node N3 between the third capacitor Ca and the fourth switch S4 and the negative input terminal of the operational amplifier OP. The second capacitor C2 is connected between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP.

第1の容量C1は、スイッチS1によって前記入力部と第1のノードN1との間に一時的に接続される第1の分圧容量を構成している。第4の容量Cbは、第4のスイッチS4がオフすることで、第1のノードN1と接地部との間に一時的に接続される第2の分圧容量を構成している。また、第3の容量Caと第4の容量Cbとの並列合成容量は、第4のスイッチS4がオンし第5のスイッチS5がオフすることで、第1のノードN1と接地部との間に一時的に接続される第2の分圧容量を構成している。したがって、この増幅回路36も、前記増幅回路26と同様に、前記入力部と接地部との間に、少なくとも一時的に前記入力部側からその順に直列接続される前記第1の分圧容量及び前記第2の分圧容量を有している。   The first capacitor C1 constitutes a first voltage dividing capacitor that is temporarily connected between the input unit and the first node N1 by the switch S1. The fourth capacitor Cb constitutes a second voltage dividing capacitor that is temporarily connected between the first node N1 and the ground portion when the fourth switch S4 is turned off. Further, the parallel combined capacitance of the third capacitor Ca and the fourth capacitor Cb is that the fourth switch S4 is turned on and the fifth switch S5 is turned off, so that the first node N1 and the ground portion are connected. The second voltage dividing capacity is temporarily connected to the second voltage dividing capacity. Therefore, similarly to the amplifier circuit 26, the amplifier circuit 36 also includes the first voltage dividing capacitor and the first voltage dividing capacitor connected in series in that order from the input unit side between the input unit and the ground unit. The second voltage dividing capacity is provided.

第2の容量C2は、スイッチS5がオフすることで、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に一時的に接続される入力容量を構成している。第2の容量C2と前記第3の容量Caとの並列合成容量は、スイッチS5がオンすることで、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に一時的に接続される入力容量を構成している。したがって、この増幅回路36も、前記増幅回路26と同様に、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に少なくとも一時的に接続される入力容量を有している。   The second capacitor C2 constitutes an input capacitor that is temporarily connected between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP when the switch S5 is turned off. The parallel combined capacitor of the second capacitor C2 and the third capacitor Ca is temporarily connected between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP when the switch S5 is turned on. Configure the input capacity. Therefore, similarly to the amplifier circuit 26, the amplifier circuit 36 also has an input capacitor connected at least temporarily between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP.

この増幅回路36では、前記第1の帰還回路は、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に並列接続されたスイッチSf及びk個の直列回路で構成されている。各直列回路は、kを1からi(iは2以上の整数)までの整数としたとき、スイッチS7−k及び容量Cf−kからなる直列回路である。前記第1の帰還回路の容量値は、スイッチSfがオフしているときに、スイッチS7−1〜S7−iのオンオフ状態に応じた可変の容量値となる。以下の説明及び表5では、スイッチS7−1〜S7−iのオンオフ状態に応じて定まる前記第1の帰還回路の容量値をCfとする。   In the amplifier circuit 36, the first feedback circuit is composed of a switch Sf and k series circuits connected in parallel between the output terminal and the negative input terminal of the operational amplifier OP. Each series circuit is a series circuit including a switch S7-k and a capacitor Cf-k, where k is an integer from 1 to i (i is an integer of 2 or more). The capacitance value of the first feedback circuit is a variable capacitance value according to the on / off states of the switches S7-1 to S7-i when the switch Sf is off. In the following description and Table 5, the capacitance value of the first feedback circuit determined according to the on / off states of the switches S7-1 to S7-i is Cf.

図5に、増幅回路36が作動し得る4つのモード(1)〜(4)毎の、アンプリセット時の各スイッチS1〜S5,S7−1〜S7−i,Sfのオンオフ状態と、その後の増幅動作時の各スイッチS1〜S5,S7−1〜S7−i,Sfのオンオフ状態と、得られるゲインΔVout/ΔVinを示す。   FIG. 5 shows the on / off states of the switches S1 to S5, S7-1 to S7-i, and Sf at the time of amplifier reset for each of the four modes (1) to (4) in which the amplifier circuit 36 can operate, The on / off states of the switches S1 to S5, S7-1 to S7-i, and Sf during the amplification operation and the gain ΔVout / ΔVin obtained are shown.

増幅回路36では、各スイッチの設定により、モード(1)からモード(4)まで順に、モード(1)の絶対値が最も低いゲインからモード(4)の絶対値が最も高いゲインまで得ることができる。モード(1)の状態は、増幅回路26と実質的に同じ状態となる。よって、増幅回路36のモード(1)において、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値を1よりも小さくしつつ、(−C2/Cf)の絶対値を1以上に大きくして演算増幅器OPの信号フィードバック量を小さく設定することが簡単にでき、本実施の形態ではそのように設定されている。   In the amplifier circuit 36, the gain from the lowest absolute value of the mode (1) to the gain of the highest absolute value of the mode (4) can be obtained in order from the mode (1) to the mode (4) by setting each switch. it can. The state of mode (1) is substantially the same as that of the amplifier circuit 26. Therefore, in the mode (1) of the amplifier circuit 36, the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) is made smaller than 1, and the absolute value of (−C2 / Cf) is made larger than 1, and the signal of the operational amplifier OP It is easy to set the feedback amount small, and in this embodiment, it is set as such.

また、本実施の形態では、増幅回路36のモード(4)において、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値は1よりも大きく設定されている。図5から、そのような設定も容易に行うことができることが理解できる。   In the present embodiment, the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) is set to be larger than 1 in the mode (4) of the amplifier circuit 36. It can be understood from FIG. 5 that such setting can be easily performed.

このように、本実施の形態によれば、前記第2の実施の形態と同様の利点が得られる上に、絶対値が1よりも小さいゲインの他に、絶対値が1以上のゲインを得ることができる。したがって、例えば、低感度設定時はゲインを低く、高感度設定時にはゲインを高くすることにより、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the same advantages as those of the second embodiment can be obtained, and in addition to a gain whose absolute value is smaller than 1, a gain whose absolute value is 1 or more is obtained. be able to. Therefore, for example, by increasing the gain when setting the low sensitivity and increasing the gain when setting the high sensitivity, it is possible to increase the dynamic range when the sensitivity is low and to increase the S / N ratio when the sensitivity is high.

[第4の実施の形態]
前記第3の実施の形態で用いられている増幅回路36では、前述したように種々の利点が得られるが、ゲインの設定が複雑であり、モード変化させ、ゲイン変化させたとき、個々のゲインを関連させながらゲインを所定の値に設計するのは煩雑で難しい。
[Fourth Embodiment]
In the amplifier circuit 36 used in the third embodiment, various advantages can be obtained as described above. However, the gain setting is complicated, and when the mode is changed and the gain is changed, each gain is changed. It is cumbersome and difficult to design the gain to a predetermined value while relating them.

本発明者は、研究の結果、前述した増幅回路36のような回路において、少なくとも一時的に演算増幅器OPの出力端子と前記第1のノードN1との間に所定容量値を形成する第2の帰還回路を設けることで、ゲインの値に関する回路設計が簡単になることを見出した。本発明の第4の実施の形態はこのような知見に基づくものである。   As a result of research, the inventor has found that a second capacitance value is formed at least temporarily between the output terminal of the operational amplifier OP and the first node N1 in a circuit such as the amplifier circuit 36 described above. It has been found that the circuit design related to the gain value can be simplified by providing the feedback circuit. The fourth embodiment of the present invention is based on such knowledge.

図6は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像素子による固体撮像素子において用いられている増幅回路46を示す回路図である。本実施の形態が前記第3の実施の形態と異なる所は、各増幅回路36が増幅回路46で置き換えられている点のみである。   FIG. 6 is a circuit diagram showing an amplifying circuit 46 used in the solid-state imaging device by the solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the third embodiment only in that each amplifier circuit 36 is replaced by an amplifier circuit 46.

増幅回路46は、第1の容量C1と、第2の容量C2と、第3の容量Caと、第4の容量Cf2と、第5の容量Cf1と、第1乃至第7のスイッチS1〜S7と、−入力端子と第2の所定電位Vrefが印加される+入力端子とを有する演算増幅器OPと、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間を一時的に短絡にするとともに演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する第1の帰還回路と、少なくとも一時的に前記出力端子と前記第1のノードとの間に所定容量値を形成する第2の帰還回路とを有している。本実施の形態では、前記第2の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量が、前記第1の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量と兼用されている。垂直信号線14が増幅回路46の入力部、演算増幅器OPの出力端子が増幅回路46の出力部となっている。   The amplifier circuit 46 includes a first capacitor C1, a second capacitor C2, a third capacitor Ca, a fourth capacitor Cf2, a fifth capacitor Cf1, and first to seventh switches S1 to S7. An operational amplifier OP having a negative input terminal and a positive input terminal to which a second predetermined potential Vref is applied, and a short circuit between the output terminal and the negative input terminal of the operational amplifier OP and the operational amplifier A first feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between an output terminal of the OP and a negative input terminal; and a predetermined capacitance value that is at least temporarily formed between the output terminal and the first node. And a second feedback circuit. In the present embodiment, at least a part of the capacitors constituting the second feedback circuit is also used as at least a part of the capacitors constituting the first feedback circuit. The vertical signal line 14 is an input part of the amplifier circuit 46, and the output terminal of the operational amplifier OP is an output part of the amplifier circuit 46.

第1の容量C1は、前記入力部と第1のノードN1との間に接続されている。第1のスイッチS1及び第2の容量C2は、第1のノードN1側からその順に、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に直列接続されている。第2のスイッチS2は、第1のスイッチS1と第2の容量C2との間の第2のノードN2と前記入力部との間に接続されている。第7のスイッチS7及び第3の容量Caは、第1のノードN1と接地部(第1の所定電圧としての接地電位が印加される部位としての接地部)との間に直列接続されている。第3のスイッチS3は、第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続されている。   The first capacitor C1 is connected between the input unit and the first node N1. The first switch S1 and the second capacitor C2 are connected in series between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP in that order from the first node N1 side. The second switch S2 is connected between the second node N2 between the first switch S1 and the second capacitor C2 and the input unit. The seventh switch S7 and the third capacitor Ca are connected in series between the first node N1 and the ground part (a ground part as a part to which the ground potential as the first predetermined voltage is applied). . The third switch S3 is connected between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP.

前記第1の帰還回路は、第4の容量Cf2、第5の容量Cf1、第5及び第6のスイッチS5,S6並びにスイッチSfを有している。第5のスイッチS5及び第4の容量Cf2は、演算増幅器OPの−入力端子側からその順に、演算増幅器OPの−第1の入力端子と出力端子との間に直列接続されている。第6のスイッチS6及び第5の容量Cf1は、演算増幅器OPの−入力端子と出力端子との間に直列接続されている。スイッチSfは、演算増幅器OPの−入力端子と出力端子との間に直列接続されている。   The first feedback circuit includes a fourth capacitor Cf2, a fifth capacitor Cf1, fifth and sixth switches S5 and S6, and a switch Sf. The fifth switch S5 and the fourth capacitor Cf2 are connected in series between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP in that order from the negative input terminal side of the operational amplifier OP. The sixth switch S6 and the fifth capacitor Cf1 are connected in series between the negative input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP. The switch Sf is connected in series between the negative input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP.

第4のスイッチS4は、第5のスイッチSと第4の容量Cf2との間の第3のノードN3と第1のノードN1との間に接続されている。前記第2の帰還回路は、第4の容量Cf2及び第4のスイッチS4から構成されている。第4の容量Cf2は、前記第1及び第2の帰還回路として兼用されている。もっとも、両者を兼用せずに、例えば、第4のスイッチS4を第3のノードN3に接続せずに、第1のノードN1と演算増幅器OPの出力端子との間に、第4のスイッチS4と第2の帰還回路専用の容量との直列回路を接続してもよい。
第1の容量C1は、前記入力部と第1のノードN1との間に接続される第1の分圧容量を構成している。第3の容量Caは、スイッチS7によって第1のノードN1と接地部との間に一時的に接続される第2の分圧容量を構成している。第2の容量C2は、スイッチS1によって第1のノードN1と演算増幅器OPの−入力端子との間に一時的に接続される入力容量を構成している。
The fourth switch S4 is connected between the third node N3 and the first node N1 between the fifth switch S and the fourth capacitor Cf2. The second feedback circuit includes a fourth capacitor Cf2 and a fourth switch S4. The fourth capacitor Cf2 is also used as the first and second feedback circuits. However, without using both, for example, the fourth switch S4 is connected between the first node N1 and the output terminal of the operational amplifier OP without connecting the fourth switch S4 to the third node N3. And a series circuit of a capacitor dedicated to the second feedback circuit may be connected.
The first capacitor C1 constitutes a first voltage dividing capacitor connected between the input unit and the first node N1. The third capacitor Ca constitutes a second voltage dividing capacitor that is temporarily connected between the first node N1 and the ground by the switch S7. The second capacitor C2 constitutes an input capacitor that is temporarily connected by the switch S1 between the first node N1 and the negative input terminal of the operational amplifier OP.

図7に、増幅回路46が作動し得る5つのモード(1)〜(5)毎の、アンプリセット時の各スイッチS1〜S7,Sfのオンオフ状態と、その後の増幅動作時の各スイッチS1〜S7,Sfのオンオフ状態と、得られるゲインΔVout/ΔVinを示す。   FIG. 7 shows the on / off states of the switches S1 to S7 and Sf at the time of amplifier reset and the switches S1 to S1 at the subsequent amplification operation for each of the five modes (1) to (5) in which the amplifier circuit 46 can operate. The on / off states of S7 and Sf and the obtained gain ΔVout / ΔVin are shown.

増幅回路46では、各スイッチの設定により、モード(1)からモード(5)まで順に、モード(1)の絶対値が最も低いゲインからモード(5)の絶対値が最も高いゲインまで得ることができる。モード(1)の状態は、増幅回路26と実質的に同じ状態となる。よって、増幅回路36のモード(1)において、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値を1よりも小さくしつつ、(−C2/Cf)の絶対値を1以上に大きくして演算増幅器OPの信号フィードバック量を小さく設定することが簡単にでき、本実施の形態ではそのように設定されている。なお、ここでは、Cfは、第4及び第5の容量Cf2,Cf1の並列合成容量である。   In the amplifier circuit 46, the gain from the lowest absolute value of the mode (1) to the gain of the highest absolute value of the mode (5) can be obtained in order from the mode (1) to the mode (5) by setting each switch. it can. The state of mode (1) is substantially the same as that of the amplifier circuit 26. Therefore, in the mode (1) of the amplifier circuit 36, the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) is made smaller than 1, and the absolute value of (−C2 / Cf) is made larger than 1, and the signal of the operational amplifier OP It is easy to set the feedback amount small, and in this embodiment, it is set as such. Here, Cf is a parallel combined capacitance of the fourth and fifth capacitors Cf2 and Cf1.

また、モード(2)では、後述する設計例(図8)に示すように、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値を1よりも小さくすることができる。また、モード(2)では、演算増幅器OPのフィードバックループの閉ループゲインは、(−C2/Cf1)*{Cf2/(C1+C2+Ca)}となる。この閉ループゲインが1よりも小さければ、発振を防止して増幅回路46の安定化を図るための演算増幅器OPの回路設計が簡単になる。後述する設計例に示すように、この閉ループゲインを1よりも小さくすることができる。本実施の形態では、モード(2)では、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値が1よりも小さく設定されるとともに、前記閉ループゲインが1よりも小さく設定されている。   In mode (2), the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) can be made smaller than 1 as shown in a design example (FIG. 8) described later. In mode (2), the closed loop gain of the feedback loop of the operational amplifier OP is (−C2 / Cf1) * {Cf2 / (C1 + C2 + Ca)}. If this closed loop gain is smaller than 1, the circuit design of the operational amplifier OP for preventing the oscillation and stabilizing the amplifier circuit 46 becomes simple. As shown in a design example described later, this closed loop gain can be made smaller than one. In the present embodiment, in the mode (2), the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) is set smaller than 1, and the closed loop gain is set smaller than 1.

本実施の形態では、後述する設計例に示すように、増幅回路46のモード(3)〜(5)において、ゲイン(ΔVout/ΔVin)の絶対値は1よりも大きく設定されている。後述する設計例から、そのような設定も容易に行うことができることが理解できる。   In the present embodiment, as shown in a design example described later, the absolute value of the gain (ΔVout / ΔVin) is set to be larger than 1 in the modes (3) to (5) of the amplifier circuit 46. It can be understood from the design example described later that such setting can be easily performed.

本実施の形態によれば、前述した第3の実施の形態と同様の利点が得られる他、増幅回路46のゲインを簡単な式で設計できるようになり、ゲインの値に関する回路設計が簡単になる。この点を、以下の具体的な設計例を説明することによって明らかにする。   According to the present embodiment, the same advantages as those of the third embodiment described above can be obtained, and the gain of the amplifier circuit 46 can be designed with a simple expression, so that the circuit design relating to the gain value can be simplified. Become. This point will be clarified by explaining the following specific design example.

この設計例では、図6に示す増幅回路46において、C1=C2=C0、Cf1=Cf2=a*C0、Ca=b*C0とおいて、a、bの設計値を求める。   In this design example, in the amplifier circuit 46 shown in FIG. 6, the design values of a and b are obtained with C1 = C2 = C0, Cf1 = Cf2 = a * C0, and Ca = b * C0.

このとき、図7に示すモード(3)のゲインは、−1/(2*a)となる。今、画素11の出力(垂直信号線14の信号)の信号振幅とAD変換器20の入力レンジから決まる最低ゲインGmin(ただし、絶対値)が与えられたものとする。このとき、図7に示すモード(3)のゲインを−2*Gminに設定するものとする。したがって、−1/(2*a)=−2*Gminが成立する。よって、a=1/(4*Gmin)となる。   At this time, the gain of the mode (3) shown in FIG. 7 is −1 / (2 * a). It is assumed that the minimum gain Gmin (however, absolute value) determined from the signal amplitude of the output of the pixel 11 (signal of the vertical signal line 14) and the input range of the AD converter 20 is given. At this time, the gain of the mode (3) shown in FIG. 7 is set to −2 * Gmin. Therefore, -1 / (2 * a) =-2 * Gmin is established. Therefore, a = 1 / (4 * Gmin).

ところで、図7に示すモード(3)では、図2に示す増幅回路16と実質的に同じ状態となる。したがって、図7に示すモード(3)で、演算増幅器OPの信号フィードバック量を小さくし、モード(3)の増幅回路46の安定化を図るための演算増幅器OPの回路設計を簡単にするためには、ゲインの絶対値を1以上にする必要がある。このため、図7に示すモード(3)のゲインを−2*Gminに設定することから、Gmin≧0.5である必要がある。また、前述したように図7に示すモード(3)のゲインは−1/(2*a)であるので、a≦0.5にする必要がある。勿論、0<aでなければならない。よって、0<a≦0.5である必要がある。以上から、結局、Gmin≧0.5が適用範囲である。   Incidentally, in the mode (3) shown in FIG. 7, the state is substantially the same as that of the amplifier circuit 16 shown in FIG. Accordingly, in order to simplify the circuit design of the operational amplifier OP for reducing the signal feedback amount of the operational amplifier OP and stabilizing the amplifier circuit 46 in the mode (3) in the mode (3) shown in FIG. Needs to have an absolute value of 1 or more. For this reason, since the gain of the mode (3) shown in FIG. 7 is set to −2 * Gmin, it is necessary that Gmin ≧ 0.5. Further, as described above, since the gain in the mode (3) shown in FIG. 7 is −1 / (2 * a), it is necessary to satisfy a ≦ 0.5. Of course, 0 <a must be satisfied. Therefore, it is necessary that 0 <a ≦ 0.5. From the above, after all, Gmin ≧ 0.5 is the applicable range.

図7に示すモード(2)のゲインに、C1=C2=C0及びCf1=Cf2=a*C0、Ca=b*C0を代入すると、図7に示すモード(2)のゲインは、−1/(a+3*a+a*b)となる。今、図7に示すモード(2)のゲインを−Gminに設定するものとする。ここでは、図7に示すモード(2)のゲインの絶対値を1よりも小さくするので、Gmin<1となる。前述したように、a=1/(4*Gmin)であるので、−Gmin=−1/(4*a)となる。したがって、−1/(a+3*a+a*b)=−1/(4*a)が成立する。これをbについて解くと、b=1−aとなる。この式に、前述したa=1/(4*Gmin)を代入すると、b=1−{1/(4*Gmin)}となる。なお、図7に示すモード(2)のゲインには、Caが含まれているが、そのCaの設計値は、浮遊容量(寄生容量)分を見積もってその分を差し引いて使用する。 When C1 = C2 = C0, Cf1 = Cf2 = a * C0, and Ca = b * C0 are substituted for the gain of mode (2) shown in FIG. 7, the gain of mode (2) shown in FIG. (A 2 + 3 * a + a * b). Now, it is assumed that the gain of the mode (2) shown in FIG. 7 is set to -Gmin. Here, since the absolute value of the gain in the mode (2) shown in FIG. 7 is smaller than 1, Gmin <1. As described above, since a = 1 / (4 * Gmin), −Gmin = −1 / (4 * a). Therefore, −1 / (a 2 + 3 * a + a * b) = − 1 / (4 * a) is established. If this is solved for b, then b = 1−a. Substituting the above-mentioned a = 1 / (4 * Gmin) into this equation results in b = 1- {1 / (4 * Gmin)}. The gain of mode (2) shown in FIG. 7 includes Ca. The design value of Ca is used by estimating the amount of stray capacitance (parasitic capacitance) and subtracting that amount.

前述したように、図7に示すモード(3)のゲインを−2*Gminと設定し、図7に示すモード(2)のゲインを−Gminと設定した。そして、図7に示すモード(1),(4),(5)の各ゲインに、C1=C2=C0、Cf1=Cf2=a*C0、Ca=b*C0、及び先に求めたa,bを代入すると、これらの各ゲインは図8に示す通りとなる。   As described above, the gain in mode (3) shown in FIG. 7 is set to −2 * Gmin, and the gain in mode (2) shown in FIG. 7 is set to −Gmin. Then, the gains of the modes (1), (4), and (5) shown in FIG. 7 are added to C1 = C2 = C0, Cf1 = Cf2 = a * C0, Ca = b * C0, and a, When b is substituted, these gains are as shown in FIG.

以上の結果を整理すると、図7に示すモード(1)〜(5)のゲインは、図8に示す通りとなる。図8中のモード(1)〜(5)は図7中のモード(1)〜(5)とそれぞれ同一である。図6に示す回路において、設計時に、0.5≦Gmin<1の条件下で画素11の出力の信号振幅とAD変換器20の入力レンジからGminを設定し、C1=C2=C0、Cf1=Cf2=a*C0、Ca=b*C0と設定し、a=1/(4*Gmin)、b=1−{1/(4*Gmin)}とすれば、図8中のモード(2)〜(5)のゲインとして、2倍ずつの関係にある−Gmin、−2*Gmin、−4Gmin、−8Gminが得られることがわかる。−Gminの絶対値は1よりも小さく、−2*Gmin絶対値、−4Gminの絶対値及び−8Gminの絶対値は1よりも大きい。このような4個のゲインは、−Gmin=Aとし、nを0からm(ここでは、m=3)までの整数としたとき、2*Aで表される(m+1)個のゲインとなっている。このような2倍ずつのゲインは、固体撮像素子において感度設定に際し非常に都合が良い。なお、この場合、図8中のモード(1)のゲインは、2倍ずつの関係にないので、必ずしも用いなくてもよい。 To summarize the above results, the gains of modes (1) to (5) shown in FIG. 7 are as shown in FIG. Modes (1) to (5) in FIG. 8 are the same as modes (1) to (5) in FIG. In the circuit shown in FIG. 6, at the time of design, Gmin is set from the signal amplitude of the output of the pixel 11 and the input range of the AD converter 20 under the condition of 0.5 ≦ Gmin <1, and C1 = C2 = C0, Cf1 = When Cf2 = a * C0 and Ca = b * C0 are set, and a = 1 / (4 * Gmin) and b = 1− {1 / (4 * Gmin)}, the mode (2) in FIG. It can be seen that -Gmin, -2 * Gmin, -4Gmin, and -8Gmin are obtained as gains (5) to (5). The absolute value of -Gmin is smaller than 1, and the absolute value of -2 * Gmin, the absolute value of -4Gmin, and the absolute value of -8Gmin are larger than 1. These four gains are -Gmin = A and n is an integer from 0 to m (here, m = 3), and (m + 1) gains represented by 2 n * A It has become. Such a gain of 2 times is very convenient when setting the sensitivity in the solid-state imaging device. In this case, the gain in the mode (1) in FIG. 8 is not necessarily used because it is not in a double relationship.

前述したように、図7及び図8中のモード(2)では、演算増幅器OPのフィードバックループの閉ループゲインは、(−C2/Cf1)*{Cf2/(C1+C2+Ca)}である。この閉ループゲインにC1=C2=C0、Cf1=Cf2=a*C0、Ca=b*C0、及び先に求めたa,bを代入して、この閉ループゲインを求め、0.5≦Gmin<1であることを考慮すると、この閉ループゲインは、1よりも小さくなる。図7及び図8中のモード(2)において、発振を防止して増幅回路46の安定化を図るための演算増幅器OPの回路設計が簡単になる。   As described above, in the mode (2) in FIGS. 7 and 8, the closed loop gain of the feedback loop of the operational amplifier OP is (−C2 / Cf1) * {Cf2 / (C1 + C2 + Ca)}. Substituting C1 = C2 = C0, Cf1 = Cf2 = a * C0, Ca = b * C0, and a and b obtained previously into this closed loop gain, this closed loop gain is obtained, and 0.5 ≦ Gmin <1 Therefore, the closed loop gain is smaller than 1. In mode (2) in FIGS. 7 and 8, the circuit design of the operational amplifier OP for preventing oscillation and stabilizing the amplifier circuit 46 is simplified.

図8中のゲインよりも大きいゲインも得るには、帰還回路における通常の可変容量の手法に従って、例えば、容量Cf1を分割して、Cf1=a*C0*(1/2+1/4+1/8+1/8)として、Cf1/2、Cf1/4等を使用すればよい。   In order to obtain a gain larger than the gain in FIG. 8, for example, the capacitance Cf1 is divided according to a normal variable capacitance technique in the feedback circuit, and Cf1 = a * C0 * (1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/8). ), Cf1 / 2, Cf1 / 4, etc. may be used.

[第5の実施の形態]
図9は、本発明の第5の実施の形態による固体撮像素子101を示す回路図である。図10は、図9中の1つの増幅回路56を示す回路図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a solid-state imaging device 101 according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a circuit diagram showing one amplifier circuit 56 in FIG.

本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、増幅回路16に代えて増幅回路56が設けられている点と、AD変換器20及び水平出力バス線21に代えてサンプリング部17、水平信号線18N,18S、出力アンプAPN,APS及びトランジスタRTHN,RTHSが設けられている点のみである。   The present embodiment is different from the first embodiment in that an amplifier circuit 56 is provided instead of the amplifier circuit 16, and that the sampling unit 17 is replaced with the AD converter 20 and the horizontal output bus line 21. , Only horizontal signal lines 18N and 18S, output amplifiers APN and APS, and transistors RTHN and RTHS are provided.

増幅回路56は、図2に示す増幅回路16において、帰還容量Cfに代えてスイッチSf1〜Sf4及び容量Cf1,Cf2,Cf31,Cf32,Cf4が設けられ、可変の容量値を得るように構成されている。この増幅回路56は、容量Ci,Cf1,Cf2,Cf31,Cf32,Cf4の容量値を適宜設定することで、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能及び絶対値が1以上のゲインで増幅する機能を有するようになっている。例えば、Ci=Cf4=4*C0、Cf1=Cf2=Cf31=Cf32=C0、Cf4=4*C0と設定することで、スイッチSf1〜Sf4のオンオフ状態に応じて、0.5、1、2、4のゲイン(ΔVout/ΔVin)を得ることができる。   In the amplifier circuit 16 shown in FIG. 2, the amplifier circuit 56 includes switches Sf1 to Sf4 and capacitors Cf1, Cf2, Cf31, Cf32, and Cf4 instead of the feedback capacitor Cf, and is configured to obtain a variable capacitance value. Yes. This amplifying circuit 56 amplifies with a gain whose absolute value is smaller than 1 and a gain whose absolute value is 1 or more by appropriately setting the capacitance values of the capacitors Ci, Cf1, Cf2, Cf31, Cf32, and Cf4. It has a function to do. For example, by setting Ci = Cf4 = 4 * C0, Cf1 = Cf2 = Cf31 = Cf32 = C0, Cf4 = 4 * C0, 0.5, 1, 2, and so on depending on the on / off state of the switches Sf1 to Sf4 A gain of 4 (ΔVout / ΔVin) can be obtained.

各サンプリング部17は、第1の容量CSと、第2の容量CNとを有している。本実施の形態では、第1の容量CSは、光信号を蓄積する容量である。第2の容量CNは、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号を蓄積する容量である。また、各サンプリング部17は、第1及び第2の入力スイッチTVS,TVNと、第1及び第2の出力スイッチTHS,THNとを有している。各サンプリング部17は、対応する増幅回路56の出力信号Voutを制御信号φTVN,φTVSに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査回路13からの水平走査信号φHに従って水平信号線18N,18Sへ供給する。水平信号線18N,18Sに出力された光信号及び差分用信号はそれぞれそれぞれ出力アンプAPS,APNを介して増幅され、外部信号処理部(図示せず)へ出力される。図面には示していないが、この外部信号処理部は、出力アンプAPS,APNの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより相関2重サンプリングが実現される。このサンプリング部17は、増幅回路56のオフセットを取り除くために設けられている。   Each sampling unit 17 has a first capacitor CS and a second capacitor CN. In the present embodiment, the first capacitor CS is a capacitor that stores optical signals. The second capacitor CN is a capacitor for accumulating a differential signal including a noise component to be subtracted from the optical signal. Each sampling unit 17 includes first and second input switches TVS and TVN, and first and second output switches THS and THN. Each sampling unit 17 samples and holds the output signal Vout of the corresponding amplifier circuit 56 according to the control signals φTVN and φTVS, and also holds the held signal according to the horizontal scanning signal φH from the horizontal scanning circuit 13. , 18S. The optical signal and the difference signal output to the horizontal signal lines 18N and 18S are amplified via output amplifiers APS and APN, respectively, and output to an external signal processing unit (not shown). Although not shown in the drawing, the external signal processing unit obtains a difference between outputs of the output amplifiers APS and APN by a differential amplifier or the like. Thereby, correlated double sampling is realized. The sampling unit 17 is provided to remove the offset of the amplifier circuit 56.

図11は、本実施の形態による固体撮像素子101の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素11のフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、1行ずつ順次選択され、各1行について順次同じ動作が行われていく。図11中の各信号がハイレベルのときに、対応するトランジスタ(スイッチ)がオンするようになっている。φSfは増幅回路56のスイッチSfの制御信号であり、φSfのハイレベルの期間がアンプリセット期間である。   FIG. 11 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device 101 according to the present embodiment. In the present embodiment, a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period, and charges are accumulated in the charge accumulation layer of the photodiode PD of each pixel 11. The same operation is sequentially performed on the rows. When each signal in FIG. 11 is at a high level, the corresponding transistor (switch) is turned on. φSf is a control signal for the switch Sf of the amplifier circuit 56, and the high level period of φSf is the amplifier reset period.

なお、図11には示していないが、所望のゲインに応じてスイッチSf1〜Sf4のオンオフ状態を設定する制御信号が供給されることは、言うまでもない。   Although not shown in FIG. 11, it goes without saying that a control signal for setting on / off states of the switches Sf1 to Sf4 is supplied in accordance with a desired gain.

本実施の形態によれば、増幅回路56は絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有しているので、増幅回路56の後段の回路である外部回路(図示せず)が受け取れる電圧振幅が、画素11の出力可能な電圧振幅に対応する振幅よりも小さくて、画素11から大きなレベルの電圧が出力される場合であっても、前記外部回路への信号伝達を適切に行うことができる。   According to this embodiment, the amplifier circuit 56 has a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1. Therefore, a voltage that can be received by an external circuit (not shown) that is a circuit subsequent to the amplifier circuit 56. Even when the amplitude is smaller than the amplitude corresponding to the voltage amplitude that can be output from the pixel 11 and a large level of voltage is output from the pixel 11, signal transmission to the external circuit can be performed appropriately. it can.

また、本実施の形態で用いられている増幅回路56では、可変ゲインを得ることができ、絶対値が1よりも小さいゲインの他に、絶対値が1以上のゲインを得ることはできるので、例えば、低感度設定時はゲインを低く、高感度設定時にはゲインを高くすることにより、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を図ることができる。   In the amplifier circuit 56 used in the present embodiment, a variable gain can be obtained, and in addition to a gain whose absolute value is smaller than 1, a gain whose absolute value is 1 or more can be obtained. For example, by increasing the gain when setting low sensitivity and increasing the gain when setting high sensitivity, it is possible to increase the dynamic range when the sensitivity is low and increase the S / N ratio when the sensitivity is high.

ただし、前記増幅回路56では、前記増幅回路16と同様に、その安定化を図るためには、演算増幅器OPの回路設計が比較的困難となる。   However, in the amplifier circuit 56, as in the amplifier circuit 16, it is relatively difficult to design the operational amplifier OP in order to stabilize the amplifier circuit 56.

なお、本実施の形態において、増幅回路56に代えて、前述した増幅回路16,26,36,46のいずれを設けてもよい。また、前記第1の実施の形態において、増幅回路16に代えて、前記増幅回路56及び後述する増幅回路66のいずれを設けてもよい。   In the present embodiment, any of the above-described amplifier circuits 16, 26, 36, and 46 may be provided in place of the amplifier circuit 56. In the first embodiment, either the amplifier circuit 56 or an amplifier circuit 66 described later may be provided instead of the amplifier circuit 16.

[第6の実施の形態]
図12は、本発明の第6の実施の形態による固体撮像素子において用いられている増幅回路66を示す回路図である。本実施の形態が前記第5の実施の形態と異なる所は、各増幅回路56が増幅回路66で置き換えられている点のみである。
[Sixth Embodiment]
FIG. 12 is a circuit diagram showing an amplifier circuit 66 used in the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention. The present embodiment is different from the fifth embodiment only in that each amplifier circuit 56 is replaced by an amplifier circuit 66.

増幅回路66が増幅回路56と異なる所は、スイッチSf4及び容量Cf4が除去されている点と、入力容量Ciに代えて、容量Ci1,Ci2及びスイッチSiが設けられている点のみである。本実施の形態では、容量Ci1,Ci2及びスイッチSiが、入力電圧Vinが印加される入力部と演算増幅器OPの−入力端子との間に接続され容量値が複数の異なる値に変わり得るように構成された入力容量回路を構成している。また、本実施の形態では、スイッチSf1〜Sf3,Sf及び容量Cf1,Cf2,Cf31,Cf32が、演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間を一時的に短絡にするとともに演算増幅器OPの出力端子と−入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する帰還回路を構成している。   The only difference between the amplifier circuit 66 and the amplifier circuit 56 is that the switch Sf4 and the capacitor Cf4 are removed and that the capacitors Ci1 and Ci2 and the switch Si are provided instead of the input capacitor Ci. In the present embodiment, the capacitors Ci1 and Ci2 and the switch Si are connected between the input unit to which the input voltage Vin is applied and the negative input terminal of the operational amplifier OP so that the capacitance value can be changed to a plurality of different values. The configured input capacitance circuit is configured. In the present embodiment, the switches Sf1 to Sf3, Sf and the capacitors Cf1, Cf2, Cf31, Cf32 temporarily short-circuit between the output terminal and the −input terminal of the operational amplifier OP and the operational amplifier OP. A feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal and the negative input terminal is configured.

この増幅回路66は、容量Ci1,Ci2,Cf1,Cf2,Cf31,Cf32の容量値を適宜設定することで、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能及び絶対値が1以上のゲインで増幅する機能を有するようになっている。例えば、Ci1=Ci2=2*C0、Cf1=Cf2=Cf31=Cf32=C0と設定することで、スイッチSi,Sf1〜Sf3のオンオフ状態に応じて、0.5、1、2、4のゲイン(ΔVout/ΔVin)を得ることができる。   The amplifier circuit 66 appropriately amplifies the capacitance values of the capacitors Ci1, Ci2, Cf1, Cf2, Cf31, and Cf32 so that the absolute value is amplified with a gain smaller than 1, and the absolute value is amplified with a gain of 1 or more. It has a function to do. For example, by setting Ci1 = Ci2 = 2 * C0 and Cf1 = Cf2 = Cf31 = Cf32 = C0, the gains (0.5, 1, 2, 4) according to the on / off states of the switches Si, Sf1 to Sf3 ( ΔVout / ΔVin) can be obtained.

本実施の形態によれば、前記第5の実施の形態と同様の利点の他、同じゲインを得るに際して、増幅回路66の占有面積を増幅回路56の占有面積に比べて低減することができるという利点も得られる。この点について以下に説明する。   According to the present embodiment, in addition to the same advantages as those of the fifth embodiment, the area occupied by the amplifier circuit 66 can be reduced compared to the area occupied by the amplifier circuit 56 when obtaining the same gain. There are also benefits. This will be described below.

前記増幅回路56では、入力容量Ciが固定されているので、比較的小さいゲイン値を得るためには、帰還回路の容量値を大きくしなければならない。したがって、増幅回路56の占有面積が増大してしまう。これに対し、増幅回路66では、入力容量回路が可変容量値を持つので、比較的小さいゲイン値を得る場合には、帰還回路の容量値を大きくすることなく、入力容量回路の容量値を比較的小さい値にすればよい。したがって、増幅回路66の占有面積を低減することができるのである。   In the amplifier circuit 56, since the input capacitance Ci is fixed, the capacitance value of the feedback circuit must be increased in order to obtain a relatively small gain value. Therefore, the area occupied by the amplifier circuit 56 increases. On the other hand, in the amplifier circuit 66, since the input capacitance circuit has a variable capacitance value, when a relatively small gain value is obtained, the capacitance value of the input capacitance circuit is compared without increasing the capacitance value of the feedback circuit. A small value may be used. Therefore, the area occupied by the amplifier circuit 66 can be reduced.

例えば、ゲイン0.5、1、2、4を得るための増幅回路56の前述した容量設定例と、同じゲイン0.5、1、2、4を得るための増幅回路66の前述した容量設定例とを比較すると、増幅回路66では増幅回路56のCf4=4*C0が除去されているので、その分の占有面積を低減することができる。なお、入力側の容量について比較すると、増幅回路66のCi1=2*C0及びCi2=2*C0の占有面積と増幅回路56のCi=4*C0の占有面積とほぼ等しい。   For example, the capacitance setting example of the amplification circuit 56 for obtaining the gains 0.5, 1, 2, 4 and the capacitance setting of the amplification circuit 66 for obtaining the same gains 0.5, 1, 2, 4 are described. As compared with the example, since Cf4 = 4 * C0 of the amplifier circuit 56 is removed in the amplifier circuit 66, the occupied area can be reduced accordingly. When comparing the capacitance on the input side, the occupied area of Ci1 = 2 * C0 and Ci2 = 2 * C0 of the amplifier circuit 66 and the occupied area of Ci = 4 * C0 of the amplifier circuit 56 are substantially equal.

ところで、本実施の形態では、増幅回路56は、前述したように、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能及び絶対値が1以上のゲインで増幅する機能を有するように、各容量の容量値が設定されている。しかしながら、本発明では、本実施の形態において、増幅回路56が、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有することなく、絶対値が1以上のゲインで増幅する機能を有するように、各容量の容量値を設定してもよい。この場合、例えば、Ci1=Ci2=4*C0、Cf1=Cf2=Cf31=Cf32=C0と設定することで、1、2、4、8のゲインを得ることができる。この場合、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能に伴う利点は得ることができないものの、同じゲインを得るに際して増幅回路56の占有面積を低減することができるという利点は得られる。   By the way, in the present embodiment, as described above, the amplifier circuit 56 has a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1 and a function of amplifying with a gain whose absolute value is 1 or more. A capacity value is set. However, in the present invention, in the present embodiment, the amplifier circuit 56 does not have a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1, but has a function of amplifying with a gain of 1 or more in absolute value. A capacity value of each capacity may be set. In this case, for example, by setting Ci1 = Ci2 = 4 * C0 and Cf1 = Cf2 = Cf31 = Cf32 = C0, gains of 1, 2, 4, and 8 can be obtained. In this case, although the advantage associated with the function of performing amplification with a gain whose absolute value is smaller than 1 cannot be obtained, the advantage that the area occupied by the amplifier circuit 56 can be reduced when obtaining the same gain is obtained.

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.

1,101 固体撮像素子
11 画素
14 垂直信号線
16,26,36,46,56 増幅回路
20 AD変換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Solid-state image sensor 11 Pixel 14 Vertical signal line 16, 26, 36, 46, 56 Amplifier circuit 20 AD converter

Claims (12)

入射光を光電変換する画素と、
前記画素からの信号又はこれに応じた信号が入力され、絶対値が1よりも小さいゲインで増幅する機能を有する増幅回路と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
A pixel that photoelectrically converts incident light;
An amplification circuit having a function of amplifying with a gain whose absolute value is smaller than 1 by inputting a signal from the pixel or a signal corresponding thereto
A solid-state imaging device comprising:
前記増幅回路のゲインは、前記増幅回路の入力信号の変化分に対する前記増幅回路の出力信号の変化分の比であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the gain of the amplifier circuit is a ratio of a change in the output signal of the amplifier circuit to a change in the input signal of the amplifier circuit. 前記増幅回路のゲインは、互いに異なる複数のゲインに可変であり、
前記複数のゲインは、絶対値が1よりも小さいゲインの他に絶対値が1以上のゲインを1つ以上含み、
nを0からm(mは1以上の整数)までの整数とし、Aを絶対値が1より小さい所定のゲインであるとしたとき、前記複数のゲインは、2*Aで表される(m+1)個のゲインを含む、
ことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。
The gain of the amplifier circuit is variable to a plurality of different gains,
The plurality of gains include one or more gains having an absolute value of 1 or more in addition to a gain having an absolute value smaller than 1.
When n is an integer from 0 to m (m is an integer equal to or greater than 1) and A is a predetermined gain whose absolute value is smaller than 1, the plurality of gains are represented by 2 n * A ( including m + 1) gains,
The solid-state imaging device according to claim 1 or 2.
前記増幅回路は、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と第1の所定電位が印加される部位との間に少なくとも一時的に前記入力部側からその順に直列接続される第1及び第2の分圧容量と、第1の入力端子と第2の所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記第1及び第2の分圧容量間の第1のノードと前記第1の入力端子との間に少なくとも一時的に接続される入力容量と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する第1の帰還回路と、を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。   The amplifier circuit is connected in series at least temporarily between the input portion of the signal from the pixel or a signal corresponding thereto and the portion to which the first predetermined potential is applied in that order from the input portion side. An operational amplifier having first and second voltage dividing capacitors, a first input terminal and a second input terminal to which a second predetermined potential is applied, and a first amplifier between the first and second voltage dividing capacitors. An input capacitor connected at least temporarily between one node and the first input terminal, and temporarily shorting between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal, and 4. A first feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between an output terminal of an operational amplifier and the first input terminal. 5. Solid-state image sensor. 前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続されたスイッチを備えたことを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 4, further comprising a switch connected between the first node and the first input terminal. 第1乃至第4の容量並びに第1乃至第5のスイッチを備え、
前記第1のスイッチ及び前記第1の容量は、前記入力部側からその順に、前記入力部と前記第1のノードとの間に直列接続され、
前記第2のスイッチは、前記入力部と前記第1のノードとの間に接続され、
前記第3のスイッチは、前記第1のスイッチと前記第1の容量との間の第2のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、
前記第3の容量及び前記第4のスイッチは、前記第1のノード側からその順に、前記第1のノードと前記部位との間に直列接続され、
前記第5のスイッチは、前記第3の容量と前記第4のスイッチとの間の第3のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、
前記第2の容量は、前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、
前記第4の容量は、前記第1のノードと前記部位との間の容量であり、
前記第1の分圧容量は前記第1の容量からなり、
前記第2の分圧容量は、前記第4の容量からなるかあるいは前記第3の容量と前記第4の容量との並列合成容量からなり、
前記入力容量は、前記第2の容量からなるかあるいは前記第2の容量と前記第3の容量との並列合成容量からなる、
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。
Comprising first through fourth capacitors and first through fifth switches;
The first switch and the first capacitor are connected in series between the input unit and the first node in that order from the input unit side,
The second switch is connected between the input unit and the first node,
The third switch is connected between a second node between the first switch and the first capacitor and the first input terminal;
The third capacitor and the fourth switch are connected in series between the first node and the part in that order from the first node side,
The fifth switch is connected between a third node between the third capacitor and the fourth switch and the first input terminal;
The second capacitor is connected between the first node and the first input terminal,
The fourth capacity is a capacity between the first node and the part,
The first voltage dividing capacity includes the first capacity,
The second voltage dividing capacity is composed of the fourth capacity or a parallel combined capacity of the third capacity and the fourth capacity,
The input capacitor is composed of the second capacitor or a parallel combined capacitor of the second capacitor and the third capacitor.
The solid-state imaging device according to claim 4.
前記増幅回路は、少なくとも一時的に前記出力端子と前記第1のノードとの間に所定容量値を形成する第2の帰還回路を有することを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the amplifier circuit includes a second feedback circuit that forms a predetermined capacitance value between the output terminal and the first node at least temporarily. 前記第2の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量が、前記第1の帰還回路を構成する少なくとも一部の容量と兼用されたことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。   8. The solid-state image pickup device according to claim 7, wherein at least a part of the capacitance constituting the second feedback circuit is also used as at least a part of the capacitance constituting the first feedback circuit. 第1乃至第5の容量並びに第1乃至第7のスイッチを備え、
前記第1の容量は、前記入力部と前記第1のノードとの間に接続され、
前記第1のスイッチ及び前記第2の容量は、前記第1のノード側からその順に、前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に直列接続され、
前記第2のスイッチは、前記第1のスイッチと前記第2の容量との間の第2のノードと前記入力部との間に接続され、
前記第7のスイッチ及び前記第3の容量は、前記第1のノードと前記部位との間に直列接続され、
前記第3のスイッチは、前記第1のノードと前記第1の入力端子との間に接続され、
前記第1の帰還回路は、前記第4及び第5の容量並びに前記第5及び第6のスイッチを有し、
前記第5のスイッチ及び前記第4の容量は、前記第1の入力端子側からその順に、前記第1の入力端子と前記出力端子との間に直列接続され、
前記第6のスイッチ及び前記第5の容量は、前記第1の入力端子と前記出力端子との間に直列接続され、
前記第4のスイッチは、前記第5のスイッチと前記第4の容量との間の第3のノードと前記第1のノードとの間に接続され、
前記第1の分圧容量は前記第1の容量からなり、
前記第2の分圧容量は前記第3の容量からなり、
前記入力容量は前記第2の容量からなり、
前記第2の帰還回路は、前記第4の容量及び前記第4のスイッチからなる、
ことを特徴とする請求項7又は8記載の固体撮像素子。
Comprising first to fifth capacitors and first to seventh switches;
The first capacitor is connected between the input unit and the first node;
The first switch and the second capacitor are connected in series between the first node and the first input terminal in that order from the first node side,
The second switch is connected between a second node between the first switch and the second capacitor and the input unit,
The seventh switch and the third capacitor are connected in series between the first node and the part,
The third switch is connected between the first node and the first input terminal;
The first feedback circuit includes the fourth and fifth capacitors and the fifth and sixth switches.
The fifth switch and the fourth capacitor are connected in series between the first input terminal and the output terminal in that order from the first input terminal side,
The sixth switch and the fifth capacitor are connected in series between the first input terminal and the output terminal,
The fourth switch is connected between a third node between the fifth switch and the fourth capacitor and the first node;
The first voltage dividing capacity includes the first capacity,
The second voltage dividing capacity includes the third capacity,
The input capacitance comprises the second capacitance;
The second feedback circuit includes the fourth capacitor and the fourth switch.
The solid-state imaging device according to claim 7 or 8, wherein
前記増幅回路は、第1の入力端子と所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と前記第1の入力端子との間に接続され容量値が複数の異なる値に変わり得るように構成された入力容量回路と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する帰還回路と、を有する、
ことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。
The amplifier circuit includes an operational amplifier having a first input terminal and a second input terminal to which a predetermined potential is applied, an input unit for a signal from the pixel or a signal corresponding thereto, and the first input terminal And an input capacitance circuit configured to change the capacitance value to a plurality of different values, and temporarily shorting between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal A feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal;
The solid-state imaging device according to claim 1 or 2.
入射光を光電変換する画素と、
前記画素からの信号又はこれに応じた信号が入力される増幅回路と、
を備え、
前記増幅回路は、第1の入力端子と所定電位が印加される第2の入力端子とを有する演算増幅器と、前記画素からの信号又はこれに応じた信号の入力部と前記第1の入力端子との間に接続され容量値が複数の異なる値に変わり得るように構成された入力容量回路と、前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間を一時的に短絡にするとともに前記演算増幅器の出力端子と前記第1の入力端子との間に一時的に所定容量値を形成する帰還回路と、を有する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
A pixel that photoelectrically converts incident light;
An amplifier circuit to which a signal from the pixel or a signal corresponding thereto is input;
With
The amplifier circuit includes an operational amplifier having a first input terminal and a second input terminal to which a predetermined potential is applied, an input unit for a signal from the pixel or a signal corresponding thereto, and the first input terminal And an input capacitance circuit configured to be capable of changing the capacitance value to a plurality of different values, and temporarily shorting between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal A feedback circuit that temporarily forms a predetermined capacitance value between the output terminal of the operational amplifier and the first input terminal;
A solid-state imaging device.
前記入力容量回路は、複数の容量及び1つ以上のスイッチを有し、
前記複数の容量及び前記1つ以上のスイッチは、前記入力容量回路の容量値が前記1つ以上のスイッチのオンオフ状態に応じて前記複数の異なる値に変わり得るように、接続された、
ことを特徴とする請求項10又は11記載の固体撮像素子。
The input capacitance circuit has a plurality of capacitors and one or more switches,
The plurality of capacitors and the one or more switches are connected such that a capacitance value of the input capacitance circuit can be changed to the plurality of different values according to an on / off state of the one or more switches.
The solid-state imaging device according to claim 10 or 11,
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