JP2011091724A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
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。
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,
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.
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、2n*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2n*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.
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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)) *
ΔVout = − (C2 / Cf) *
ΔVout = − [(C1 * C2) / {Cf * (C1 + C2 + Ca)}] *
Therefore, the gain (ΔVout / ΔVin) of the
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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/(a2+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/(a2+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、2n*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
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
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-
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
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
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
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-
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (12)
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、2n*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
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.
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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2009
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