JP2012044554A - Solid-state imaging device and camera system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子およびカメラシステムに関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor and a camera system.
CMOSイメージセンサ等では、画素回路から読み出されたアナログ信号がデジタル信号に変換(A/D変換)される(たとえば特許文献1)。A/D変換は、カラム処理回路内部のADC回路で行われることが多い。 In a CMOS image sensor or the like, an analog signal read from a pixel circuit is converted into a digital signal (A / D conversion) (for example, Patent Document 1). A / D conversion is often performed by an ADC circuit in the column processing circuit.
ADC回路は、電圧比較器などによって、DAC回路にて生成されるランプ波形の参照電圧と画素回路から読み出したアナログ信号の電圧との大小を比較することにより、A/D変換を行う。カラム処理回路は、DAC回路と数千本もの配線によって接続されている。
このため、多画素化に伴い、カラム処理回路のレイアウト面積が増大するという問題がある。
The ADC circuit performs A / D conversion by comparing the reference voltage of the ramp waveform generated by the DAC circuit with the voltage of the analog signal read from the pixel circuit using a voltage comparator or the like. The column processing circuit is connected to the DAC circuit by thousands of wires.
For this reason, there is a problem that the layout area of the column processing circuit increases as the number of pixels increases.
これに加え、多画素化に伴って、DAC回路により多くの電流を流し、DAC回路の駆動能力を上げる必要がある。この場合、配線が複雑なために、DAC回路やカラム処理回路の負荷が大きくなるという問題がある。 In addition to this, with the increase in the number of pixels, it is necessary to pass a larger amount of current through the DAC circuit to increase the drive capability of the DAC circuit. In this case, since the wiring is complicated, there is a problem that the load on the DAC circuit and the column processing circuit increases.
このような問題を解決する一つの方法として、電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator、以下「VCO」)を使用してA/D変換を行うADC回路が開示されている(たとえば特許文献2〜4参照)。 As one method for solving such a problem, an ADC circuit that performs A / D conversion using a voltage controlled oscillator (hereinafter referred to as “VCO”) is disclosed (for example, see Patent Documents 2 to 4). ).
VCOを使用してそのクロックをカウントしてAD変換を行う方式のイメージセンサは、VCO出力のクロックの及ぶ範囲がカラム内部に限定されている特長を生かし、GHz帯の高周波での用途も期待できる。
そのため、従来よりも、高速、高精度で画素信号をAD変換することが可能となる。
An image sensor that uses a VCO to count the clock and perform AD conversion takes advantage of the fact that the range of the VCO output clock is limited to the inside of the column, and can be expected to be used at high frequencies in the GHz band. .
Therefore, it is possible to AD-convert the pixel signal at a higher speed and higher accuracy than in the past.
たとえば、特許文献2,3に記載されている回路が、VCOを用いて電圧から周波数への変換を行い、一定時間カウントすることでAD変換している動作を行っている。
また、特許文献4において、VCOを用いて電圧から周波数への変換を行い、CDS(相関二重サンプリング)もVCO出力のP相D相差分で比較を行う(CDSをVCOのカウント値の差で行う)回路がある。
この回路の場合、VCOからの出力はカウンタのクロックではなく、イネーブル信号として使用している。
For example, the circuits described in
Further, in
In this circuit, the output from the VCO is used as an enable signal, not as a counter clock.
VCOを使ったAD変換器をもつイメージセンサを使用する際の問題として、温度、電源電圧、プロセスばらつきによって、VCOの入力電圧と出力周波数の比(Kv値)にバラつきが発生する。
このため、同じ入力電圧を印加しても、VCOの出力がばらつき、出力にオフセットがつく、もしくはVCOに入力できるレンジが狭くなることが考えられる。
As a problem when using an image sensor having an AD converter using a VCO, the ratio of the VCO input voltage to the output frequency (Kv value) varies due to temperature, power supply voltage, and process variations.
For this reason, even when the same input voltage is applied, the output of the VCO varies, and the output is offset, or the range that can be input to the VCO is narrowed.
上述の特許文献2,3に開示された回路は、スイッチドキャパシタを用いて垂直信号からのアナログ信号のCDS動作をしているが、この方法では、VCO自身のKv値のばらつきによるノイズの影響は除去できない。
また、特許文献4においても、Kv値のばらつきによる影響についての対策は記述されていない。
The circuits disclosed in the above-mentioned
Also,
上記の出力レンジ、オフセットの問題を解決するために特許文献5に記載した回路が提案されている。
この回路は、AD変換を実行する前に、PLLループを形成することで、VCO出力周波数をKvばらつきによらず一意の値にすることで、VCOの出力のばらつきによるオフセットを回避する。
In order to solve the above output range and offset problems, a circuit described in
This circuit avoids an offset due to variations in output of the VCO by forming a PLL loop before executing AD conversion, thereby making the VCO output frequency a unique value regardless of variations in Kv.
しかしこの回路においては、AD変換時のVCOの出力周波数の初期値はKv値のばらつきによらず一定にすることができるが、PLLループが解除された後のP相、D相カウントの時点では、Kv値がコントロールされていない。
このため、なにも対策がなされない場合、チップ内のトランジスタ(Tr)特性のばらつきによるゲイン性の縦筋ノイズ、もしくは温度や電源電圧のドリフトによるフレーム間での明るさのバラつきになるおそれがある。
However, in this circuit, the initial value of the output frequency of the VCO at the time of AD conversion can be made constant regardless of variations in the Kv value, but at the time of P-phase and D-phase counting after the PLL loop is released. , Kv value is not controlled.
For this reason, if no countermeasures are taken, there is a risk that the vertical stripe noise of gain characteristics due to variations in transistor (Tr) characteristics within the chip, or brightness variations between frames due to temperature and power supply voltage drifts. is there.
本発明は、VCOの性能に左右されず、高速にA/D変換を実行できることはもとより、PLLの入出力特性のばらつきを抑制することができ、ゲイン性のある縦筋の発生を防止することが可能な固体撮像素子およびカメラシステムを提供することにある。 The present invention is capable of performing A / D conversion at a high speed regardless of the performance of the VCO, and can suppress variations in the input / output characteristics of the PLL, thereby preventing the occurrence of vertical stripes having gain characteristics. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device and a camera system that can perform the above-described processing.
本発明の第1の観点の固体撮像素子は、光電変換を行う複数の画素が行列状に配列された画素部と、第1の期間と第2の期間に上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行い、アナログデジタル(AD)変換を行うAD変換部を含む読み出し部と、ゲートへの信号レベルに応じたダミー画素信号を上記読み出し部に供給するダミー画素と、を有し、上記読み出し部は、上記読み出し信号の電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する電圧制御発振器と、上記電圧制御発振器が生成した上記クロック信号をカウントするプリカウンタと、上記プリカウンタの出力をカウントするカウンタと、を含み、上記第1の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はダウンまたはアップの第1の方向に動作し、上記第2の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はアップまたはダウンの第1の方向とは逆の第2の方向に動作し、上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理を行う。 A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a pixel unit in which a plurality of pixels that perform photoelectric conversion are arranged in a matrix, and a plurality of pixel units from the pixel unit in the first period and the second period. A readout unit including an AD conversion unit that performs readout of a pixel signal and performs analog-digital (AD) conversion, and a dummy pixel that supplies a dummy pixel signal corresponding to a signal level to the gate to the readout unit, The read unit counts a voltage-controlled oscillator that generates a clock signal having a frequency corresponding to the voltage of the read signal, a precounter that counts the clock signal generated by the voltage-controlled oscillator, and an output of the precounter The pre-counter and the count operation of the counter operate in a first direction of down or up, and the first counter In this period, the pre-counter and the count operation of the counter operate in a second direction opposite to the first direction of up or down, and the first period and the second period are connected to the gate of the dummy pixel. A signal having a different level is applied in a period, and a first process of outputting a value held in the counter as a Kv value that is a ratio of an input voltage and an output frequency of the voltage controlled oscillator is performed.
本発明の第2の観点のカメラシステムは、固体撮像素子と、上記固体撮像素子の画素領域に入射光を導く光学系と、上記固体撮像素子が出力した出力信号を処理する信号処理部とを有し、上記固体撮像素子は、光電変換を行う複数の画素が行列状に配列された画素部と、第1の期間と第2の期間に上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行い、アナログデジタル(AD)変換を行うAD変換部を含む読み出し部と、ゲートへの信号レベルに応じたダミー画素信号を上記読み出し部に供給するダミー画素と、を有し、上記読み出し部は、上記読み出し信号の電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する電圧制御発振器と、上記電圧制御発振器が生成した上記クロック信号をカウントするプリカウンタと、上記プリカウンタの出力をカウントするカウンタと、を含み、上記第1の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はダウンまたはアップの第1の方向に動作し、上記第2の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はアップまたはダウンの第1の方向とは逆の第2の方向に動作し、上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理を行う。 A camera system according to a second aspect of the present invention includes a solid-state imaging device, an optical system that guides incident light to a pixel region of the solid-state imaging device, and a signal processing unit that processes an output signal output from the solid-state imaging device. The solid-state imaging device includes a pixel unit in which a plurality of pixels that perform photoelectric conversion are arranged in a matrix, and readout of pixel signals from the pixel unit in a plurality of pixels in a first period and a second period And a read unit including an AD conversion unit that performs analog-digital (AD) conversion, and a dummy pixel that supplies a dummy pixel signal corresponding to a signal level to the gate to the read unit, and the read unit includes: A voltage controlled oscillator that generates a clock signal having a frequency corresponding to the voltage of the read signal, a precounter that counts the clock signal generated by the voltage controlled oscillator, and an output of the precounter. The pre-counter and the count operation of the counter operate in a first direction of down or up in the first period, and the pre-counter in the second period. The counting operation of the counter operates in a second direction opposite to the first direction of up or down, and signals having different levels are applied to the gates of the dummy pixels in the first period and the second period. Then, a first process of outputting the value held in the counter as a Kv value that is a ratio between the input voltage and the output frequency of the voltage controlled oscillator is performed.
VCOの性能に左右されず、高速にA/D変換を実行できることはもとより、PLLの入出力特性のばらつきを抑制することができ、ゲイン性のある縦筋の発生を防止することができる。 In addition to being able to execute A / D conversion at a high speed regardless of the performance of the VCO, variations in the input / output characteristics of the PLL can be suppressed, and the generation of vertical stripes having gain characteristics can be prevented.
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.CMOSイメージセンサの構成例
2.画素回路の構成例
3.カラム処理回路の構成例
4.図3の回路の基本動作
5.第1の方法の説明
6.第2の方法の説明
7.第3の方法の説明
8.第4の方法の説明
9.カメラシステムの構成例
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The description will be given in the following order.
1. 1. Configuration example of CMOS image sensor 2. Configuration example of
<1.CMOSイメージセンサの構成例>
図1は、本発明の第1の実施形態に係るCMOSイメージセンサの構成例を示す概略ブロック図である。図1には、CMOSイメージセンサ1の主要部が図示されている。
<1. Configuration example of CMOS image sensor>
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration example of a CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a main part of the
本実施形態においては、基準入力電圧信号(VAZ)に対し、どのような条件であっても同一の出力周波数(FAZ)が出力するようにVCOの出力周波数を初期化するPLLループを搭載したCMOSイメージセンサを基本としている。
このCMOSイメージセンサまたはVCOをAD変換に使用したイメージセンサを使用した場合、P相、D相期間において、温度、電源電圧、プロセスばらつきに依存する。
これにより、VCOの入力電圧と出力周波数の傾き(Kv値)にバラつきが発生し、それがゲイン性のノイズになるおそれがある。
In this embodiment, a PLL loop that initializes the output frequency of the VCO is mounted so that the same output frequency (F AZ ) is output under any condition with respect to the reference input voltage signal (V AZ ). It is based on a CMOS image sensor.
When this CMOS image sensor or an image sensor using a VCO for AD conversion is used, it depends on temperature, power supply voltage, and process variations in the P-phase and D-phase periods.
This causes variations in the slope (Kv value) of the input voltage and output frequency of the VCO, which may result in gain noise.
本実施形態のCMOSイメージセンサにおいては、このゲイン性のノイズを抑制するために以下の方法を採用した回路構成を有する。
その回路は、あらかじめ、全黒のダミー画素信号と任意の既知のレベルのダミー画素信号を準備し、2つの画素の差分をとることで各列のKv値を求める回路であり、Kv値を求める方法として、下記の2つの方法を適用している。
第1は全黒のダミー画素信号と、全白のダミー画素信号を読み出す方法として、ダミーソースフォロワ回路のゲートに全白に相当する入力と、全黒に相当する信号を特定のタイミングでカラムに読み出す第1の方法である。
第2に、PLLループ内に特定の電圧を印加する回路を入れておき、必要に応じて任意の既知のレベルの電圧をVCOに直接印加して、Kv値を検出する第2の方法である。
また、全黒のダミー画素信号と、任意の既知のレベル(以降、代表例として全白)のダミー画素信号はそれぞれ、読み出しフレームの頭に読み出し、Kv値を計算し、その結果を以降の画素読み出しの信号にフィードバックさせる第3の方法も適用可能である。
第1の方法および第2の方法からえられたKv値を、ラインメモリに演算しやすい形で保持し、次の読み出し行以降の画像信号と掛け合わせることで、ゲイン性ノイズを除去する第3の方法である。
第3の方法のほかに、上記の方法で得られた各列のKv値の平均値、中央値、または任意の最適値を求め、その値を、各列のVCOに供給する電流源、またはそれ以外のVCOを制御する信号に適切な値をフィードバックする。これにより、各列のVCOのKv値をフレーム周期でそろえるゲイン性ノイズを除去する第4の方法も適用可能である。
The CMOS image sensor of this embodiment has a circuit configuration that employs the following method in order to suppress this gain noise.
The circuit is a circuit that prepares an all-black dummy pixel signal and a dummy pixel signal of an arbitrary known level in advance and obtains the Kv value of each column by taking the difference between the two pixels, and obtains the Kv value. As a method, the following two methods are applied.
First, as a method of reading out the dummy pixel signal of all black and the dummy pixel signal of all white, the input corresponding to all white and the signal corresponding to all black are input to the column at a specific timing to the gate of the dummy source follower circuit. This is a first method of reading.
Second, there is a second method for detecting a Kv value by putting a circuit for applying a specific voltage in the PLL loop and applying a voltage of any known level directly to the VCO as required. .
Also, an all black dummy pixel signal and an arbitrary known level (hereinafter, all white as a representative example) dummy pixel signal are read out at the head of the readout frame, a Kv value is calculated, and the result is calculated for the subsequent pixels. A third method of feeding back the readout signal is also applicable.
A Kv value obtained from the first method and the second method is held in a form that can be easily calculated in a line memory, and is multiplied by an image signal from the next readout line to remove gain noise. It is a method.
In addition to the third method, the average value, the median value, or any optimum value of the Kv value of each column obtained by the above method is obtained, and the value is supplied to the VCO of each column, or An appropriate value is fed back to other signals for controlling the VCO. As a result, the fourth method of removing the gain noise that aligns the Kv values of the VCOs in each column with the frame period is also applicable.
図1に図示する固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサ1は、画素部10、複数の画素回路11、行選択回路12、行駆動回路13、カラム処理回路14、および水平走査回路15を有する。
CMOSイメージセンサ1は、制御回路16、デジタル信号処理回路(以下「DPU」)17、I/O部18を有する。
A
The
画素部10は、入射光を受光する画素領域である。画素部10には、m(行方向)×n(列方向)個の画素回路11がマトリクス状に配列されている。
The
各々の画素回路11は、本実施形態においては、ベイヤー型に配列されている。各画素回路11には、Gr(緑)、R(赤)、B(青)、およびGb(緑)の何れかのカラーフィルタが配置され、各色のカラーフィルタに対応した色を検知する。
このとき、画素回路11は、光電変換によって入射光を電荷(電子)に変換し、この電荷を電圧信号(読み出し信号)として垂直信号線LVSL(n)上の出力ノードND1に出力する。
Each
At this time, the
行選択回路12は、制御回路16から入力された行選択信号に基づいて、m行目の画素回路11を選択する。
The
行駆動回路13は、行駆動回路13から入力された行選択信号、および制御回路16から入力された基準クロックCKに基づいて、m行目の画素回路11を駆動する。
The
カラム処理回路(読み出し部)14は、ADC回路141を垂直列(カラム)ごとに有する。ADC回路141の個数は、列方向の画素回路11の個数(n個)と同数である。
The column processing circuit (reading unit) 14 has an
ADC回路141は、水平走査回路15の制御に基づいて、画素回路11から電圧信号を列毎に読み出す。この読み出された電圧信号VSLは、アナログ信号であるため、ADC回路141は、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling、以下「CDS」)処理を行う。これによって、アナログ信号がデジタル信号に変換(A/D変換)される。
The
水平走査回路15は、たとえば、シフトレジスタ等によって構成されている。水平走査回路15は、制御回路16から入力された基準クロックCKに基づいて、カラム処理回路14のADC回路141を列ごとに順次選択する。
The
制御回路16(指示部)は、制御信号発生回路(以下「SG」)161、およびSG161用のPLL(Phase Locked Loop)回路162を有する。
SG161は、PLL回路162の位相制御によって、種々の制御信号を生成する。制御信号には、後述する、制御信号SCTR(指示信号)やカウントイネーブル信号SCE(カウント開始信号、以下「CE信号SCE」)、基準クロックCK等が含まれる。
制御回路16は、基準クロックCKを行選択回路12、行駆動回路13、および水平走査回路15に出力する。制御回路16は、制御信号SCTRやCE信号SCE等をカラム処理回路14に出力する。
The control circuit 16 (instruction unit) includes a control signal generation circuit (hereinafter “SG”) 161 and a PLL (Phase Locked Loop)
The
The
DPU17は、カウンタ1416(図3参照)によるP相でのカウント値と、D相でのカウンタ1416によるカウント値との差分を求めることにより、画素部10から読み出した本来の画像データを取得する。
The
<2.画素回路の構成例>
画素回路11の回路構成例を図2に関連付けて説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る画素回路の構成例を示す等価回路図である。図2には、n行m列目の画素回路が図示されている。
<2. Configuration example of pixel circuit>
A circuit configuration example of the
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the pixel circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a pixel circuit in the nth row and the mth column.
図2に図示する画素回路11は、たとえばフォトダイオードで形成された光電変換素子111、転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115を有する。
A
光電変換素子111は、アノード側が接地(GND)され、カソード側が転送トランジスタ112のソースに接続されている。光電変換素子111は、入射光をその光量に応じて電荷(電子)に光電変換し、その電荷を蓄積する。
The
図2に図示する各々のトランジスタには、nチャネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタが一例として採用されている。 As each transistor shown in FIG. 2, an n-channel insulated gate field effect transistor is employed as an example.
転送トランジスタ112は、光電変換素子111が蓄積した電荷をフローティングディフュージョンFDに転送するために、光電変換素子111のカソード側とFDとの間に接続されている。転送トランジスタ112のゲートには、転送信号線LTRN(m)が接続されている。この転送信号線LTRN(m)の一端は、行駆動回路13に接続されている。
The
フローティングディフュージョンFD(以下「FD」)には、転送トランジスタ112のドレイン、リセットトランジスタ113のソース、および増幅トランジスタ114のゲートが接続されている。
The floating diffusion FD (hereinafter “FD”) is connected to the drain of the
リセットトランジスタ113は、FDの電位を電源電圧VDDにリセットするために、FDと電源電圧VDDとの間に接続されている。リセットトランジスタ113のゲートには、リセット信号線LRST(m)が接続されている。このリセット信号線LRST(m)の一端は、行駆動回路13に接続されている。
The
増幅トランジスタ114は、ドレインが電源電圧VDDに、ソースが選択トランジスタ115のドレインに接続されている。増幅トランジスタ114は、FDの電位を増幅する。
The
選択トランジスタ115は、増幅トランジスタ114と直列接続となるようにドレインが増幅トランジスタ114のソースに接続され、ソースが垂直信号線LVSL(n)に接続され、ゲートが選択信号線LSEL(m)に接続されている。この選択信号線LSEL(m)の一端は、行駆動回路13に接続されている。
The
垂直信号線LVSL(n)には、電流源19およびダミー画素トランジスタ20のソースが接続されており、増幅トランジスタ114と電流源19とによって、ソースフォロワ回路が形成されている。垂直信号線LVSL(n)の一端には、カラム処理回路14が接続されている。
The source of the
ダミー画素トランジスタ20のドレインは信号線L20に接続され、ゲートに全黒や全白に相当するダミー画素信号を垂直信号線LVSLに出力可能なレベルのダミー信号(電圧)Vdfsが、たとえば制御回路16により供給される。
The drain of the
<3.カラム処理回路の構成例>
カラム処理回路14の構成例を図3に関連付けて説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態に係るカラム処理回路の構成例を示す概略ブロック図である。
図3には、垂直信号線LVSL(n)に接続されたm行目の画素回路11が図示され、転送信号線LTRN(m)等が適宜省略されている。
<3. Column processing circuit configuration example>
A configuration example of the
FIG. 3 is a schematic block diagram showing a configuration example of the column processing circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the
図3に図示するカラム処理回路14において、各ADC回路141は、VCO(クロック信号生成部)1411、プリカウンタ1412、位相比較器1413、チャージポンプ(CP)1414、およびローパルフィルタ(LPF)1415を有する。
各ADC回路141は、プリカウンタ1412の出力をカウントするカウンタ(CNT)1416、キャパシタC1、およびクランプスイッチSW1を有する。
In the
Each
画素回路11の電圧信号が出力される出力ノードND1は、垂直信号線LVSL(n)上に形成されている。キャパシタC1は、出力ノードND1に出力された電圧信号のDC(直流)成分をカットするため、出力ノードND1とノードND2との間に接続されている。
The output node ND1 from which the voltage signal of the
VCO1411の制御端子は、垂直信号線LVSL(n)上のノードND2に接続されている。VCO1411の出力端子は、プリカウンタ1412の入力端子に接続されている。
プリカウンタ1412の出力端子は、位相比較器1413の一方の入力端子およびカウンタ1416の入力端子に接続されている。カウンタ1416の出力端子は、水平転送信号線LHSTに接続されている。
水平転送信号線LHSTの本数Nは、カウンタ1416の個数に等しい。各水平転送信号線LHSTの一端は、DPU17に共通に接続されている。
The control terminal of the
The output terminal of the pre-counter 1412 is connected to one input terminal of the
The number N of horizontal transfer signal lines LHST is equal to the number of
クランプスイッチSW1は、ノードND2と信号線L1上のノードND3との間に接続されている。 The clamp switch SW1 is connected between the node ND2 and the node ND3 on the signal line L1.
[VCO1411の構成例]
VCO1411の構成例について説明する。
図4は、本発明の第1実施形態に係るVCOの構成例を示す等価回路図である。
[Configuration example of VCO 1411]
A configuration example of the
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the VCO according to the first embodiment of the present invention.
図4に図示するVCO1411は、本実施形態においては、リングオシレータ型のVCOである。具体的には、VCO1411は、3個のインバータ14111〜14113、電流量を可変できる定電流源14114〜14116、および比較器14117を有する。
The
初段のインバータ14111の入力端子は、VCO1411の制御端子CINに接続されている。この制御端子CINは、垂直信号線LVSL(n)上のノードND2(図3参照)に接続されている。
The input terminal of the
各インバータ14111〜14113は、出力が次段のインバータに入力されるようにリング状に接続されている。このとき、最終段のインバータ14113の出力が初段のインバータ14111にフィードバックされるように、ノードND4とノードND5とが接続されている。
Each of the
各インバータ14111〜14113の第1電源接続端子は、電源電圧VDDに接続されている。各インバータ14111〜14113の第2電源接続端子は、定電流源14114〜14116に接続されている。
The first power supply connection terminals of the
比較器14117の入力端子は、ノードND5に接続され、比較器14117の出力端子は、VCO1411の出力端子COUTに接続されている。
The input terminal of the
[VCO1411の動作例]
VCO1411の動作例について説明する。
VCO1411の制御端子CINに画素回路11から電圧信号(アナログ信号)SVSLが供給されると、最終段のインバータ14113は、初段のインバータ14111に入力された信号と逆位相の信号を出力する。最終段のインバータ14113の出力が初段のインバータ14111の入力にフィードバックされることから、初段のインバータ14111に入力された信号が発振する。
[Operation example of VCO 1411]
An operation example of the
When the voltage signal (analog signal) SVSL is supplied from the
そして、比較器14117は、たとえば、最終段のインバータ14113の出力と接地電位とを比較し、ハイレベルの信号のみを出力する。
これにより、比較器14117は、パルス状のクロック信号SCKを出力端子COUTに出力する。
For example, the
Accordingly, the
なお、インバータの数は発振を可能にするため奇数個であればよく、好適な数(たとえば5個)のインバータをリング状に接続することができる。 The number of inverters may be an odd number in order to enable oscillation, and a suitable number (for example, five) of inverters can be connected in a ring shape.
このように、リングオシレータ型のVCO1411は、回路構成が簡潔となり、VCO1411のレイアウト面積を縮小することができる。その結果、カラム処理回路のレイアウト面積が、電圧比較器を採用したものよりも小さくなるという利点がある。
In this manner, the ring
図5は、本発明の第1の実施形態に係るVCOの入力電圧−出力周波数の関係を示す一例の図である。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the input voltage and the output frequency of the VCO according to the first embodiment of the present invention.
図5に図示するように、VCO1411は、入力電圧Vが高い程、発振周波数Fが高いクロック信号SCK(図4参照)を出力する。入力電圧Vが電圧V1〜V2の範囲では、入力電圧Vに対する出力周波数Fの変化の割合KVCO(=ΔF/ΔV)は一定である。
すなわち、VCO1411は、電圧V1〜V2の範囲において、入力電圧Vに比例した周波数Fのクロック信号SCKを生成する。
以下、入力電圧Vは、電圧V1〜V2の範囲であるものとする。
As shown in FIG. 5, the
That is, the
Hereinafter, it is assumed that the input voltage V is in the range of voltages V1 to V2.
発振周波数Fは、図4に図示する定電流源14114〜14116の電流量を制御することによって調整することができる。この場合、制御回路16が制御信号SCTRLを定電流源14114〜14116に出力することによって、定電流源14114〜14116の電流量が可変される。
The oscillation frequency F can be adjusted by controlling the current amount of the constant
VCO1411は、上記したように、入力信号の電圧に比例した周波数のクロックを出力する。そして、比例定数がKv値(Hz/V)となる。
プリカウンタ1412は、VCO1411の出力クロックで動作する。プリカウンタ1412はスイッチSW1がオンでPLLループを形成するときの分周器も兼ねる。
位相比較器1413は、カラム外部から基準周波数を供給するRefクロック信号Frefとプリカウンタ1412の出力の位相差を検出し、チャージポンプ1414を制御する。
チャージポンプ1414は、位相比較器1413の制御に応じてVCO1411の入力電圧を調整する。
LPF1415は、チャージポンプ1414からの電流値を電圧に変換する。
スイッチSW1は、必要に応じてLPF1415の)出力とVCO1411の入力を選択的に接続、切断するためのスイッチとして機能する。
カウンタ1416は、カウンタイネーブル信号SCEを受けて、プリカウンタ1412からの出力クロックで動作する。
プリカウンタ1412、カウンタ1416内部のラッチの値が列毎にDPU17に転送される。
As described above, the
The pre-counter 1412 operates with the output clock of the
The
The
The
The switch SW1 functions as a switch for selectively connecting and disconnecting the output of the
The
The latch values in the pre-counter 1412 and
<4.図3の回路の基本動作>
図6は、図3の回路を制御するための1H期間分のタイミングチャートの概要を示す図である。
図6で示す制御期間は<1>〜<6>に分かれており、それぞれの期間での動作は下記の通りである。
<4. Basic Operation of Circuit of FIG. 3>
FIG. 6 is a diagram showing an outline of a timing chart for a 1H period for controlling the circuit of FIG.
The control period shown in FIG. 6 is divided into <1> to <6>, and the operation in each period is as follows.
<1>:画素リセット期間
リセットトランジスタ113を電圧Rxを印加してON状態(Rx)にして、増幅トランジスタ114のゲート電圧を特定の電圧に設定する。
このとき、垂直信号線LVSL(2-1)の電圧VSLも、増幅トランジスタ114のゲート電圧に応じて特定の値(VP)に固定される。
<1>: Pixel Reset Period The voltage Rx is applied to the
At this time, the voltage VSL of the vertical signal line LVSL (2-1) is also fixed to a specific value (V P ) according to the gate voltage of the
<2>:画素リセット終了
電圧Rxの印加が停止されてリセットトランジスタ113がOFFになり、そのときのスイッチングノイズが増幅トランジスタ114のゲート電圧に混入する。
<2>: Pixel reset end The application of the voltage Rx is stopped, the
<3>PLLループ期間
スイッチSW1をONにして、PLLループを形成することで、VCO1411の出力周波数が任意に設定した値(FAZ)に収束する。
この動作およびDCカット容量であるキャパシタC1により、画素リセットされた垂直信号線LVSLの値(リセットゲートのスイッチングノイズにより、画素毎にばらつきがある)や、温度、電源電圧、プロセスばらつきに関係なく次にようになる。
すなわち、VCO1411の出力周波数はプリカウンタ1412の分周比と、RefクロックCKrefの周波数によって決まる一定の周波数FAZになる。
<3> PLL Loop Period By turning on the switch SW1 and forming a PLL loop, the output frequency of the
With this operation and the capacitor C1 which is a DC cut capacity, the next reset is performed regardless of the value of the vertical signal line LVSL after pixel reset (which varies from pixel to pixel due to switching noise of the reset gate), temperature, power supply voltage, and process variations. It becomes like.
That is, the output frequency of the
<4>:P相カウント期間
スイッチSW1をOFFにし、カウンタイネーブル信号SCEをハイレベルの状態にする。このとき、プリカウンタ1412の値も同時にリセットされ、カラム毎のプリカウンタ1412の値のズレによる誤差が発生しないようにする。
一定時間が経過したら、カウンタイネーブル信号SCEはローレベルになり、プリカウンタ1412とカウンタ1416の動作が停止する。このときのカウント値をCPとする。
<4>: P-phase count period The switch SW1 is turned OFF and the counter enable signal SCE is set to a high level. At this time, the value of the
When a certain time elapses, the counter enable signal SCE becomes low level, and the operations of the pre-counter 1412 and the
<5>:転送ゲートON
転送ゲート112をON状態にして、フォトダイオード111に蓄積された電荷を増幅トランジスタ114のゲートに転送する。
転送された電荷により、増幅トランジスタ114のゲート電圧が変動するため、垂直信号線LVSLの電圧VSLもあわせて変動する。
<5>: Transfer gate ON
The
Since the gate voltage of the
<6>:D相カウント期間
<5>のタイミングから、垂直信号線LVSLの電圧VSLが落ち着くまで待って、再び、カウントイネーブル信号SCEをハイレベルの状態にする。
D相カウント期間では、Cpとは逆の方向にプリカウンタ1412とカウンタ1416が動作する。
一定時間が経過したら、カウンタイネーブル信号SCEはローレベルになり、プリカウンタ1412とカウンタ1416の動作が停止する。
このときのカウント値をCdとし、CpとCdの差、ΔCの値がプリカウンタ1412とカウンタ1416内部のラッチ回路に保持され、水平走査回路15の制御に従って、順番にDPU17に転送される。
<6>: D-phase count period From the timing of <5>, wait until the voltage VSL of the vertical signal line LVSL has settled, and again set the count enable signal SCE to the high level state.
The D phase count period, the pre-counter 1412 and the
When a certain time elapses, the counter enable signal SCE becomes low level, and the operations of the pre-counter 1412 and the
The count value of the time and C d, the difference between C p and C d, the value of ΔC is held in the pre-counter 1412 and the
図7は、VCOの入力電圧と出力周波数の関係を示す図である。
図7は、電源電圧、温度、チップ内のトランジスタ(Tr)特性のばらつきにより、VCO1411の入力電圧と出力周波数の比が大きく変動することを示している。
そのため、PLLループを用いない場合の入力に使える入力信号のレンジはFAZを出力するときの速い(Fast)条件の入力電圧からVCO1411として利用できる下限の周波数FMINを出力するときの遅い(Slow)条件の入力電圧までとなる。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the input voltage and the output frequency of the VCO.
FIG. 7 shows that the ratio of the input voltage to the output frequency of the
Therefore, slow (Slow when range of the input signal which can be used for input in the case of not using a PLL loop for outputting a fast (Fast) frequency F MIN is the lower limit that the input voltage can be used as VCO1411 condition when outputting the F AZ ) Up to the input voltage of the condition.
図8は、PLLで基準点(VRST、FAZ)を固定した場合のVSLの電圧とVCOの出力周波数の関係を示す図である。
図8は、図3の回路でPLLループを実施した場合、VSL電圧(DCカット容量により、VCOと直接接続していない)とVCO出力周波数の関係を示したものである。
使える入力信号のレンジはFAZを出力するときのFast条件の入力電圧からVCOとして利用できる下限の周波数FMINを出力するときのFast条件の入力電圧までとなる。図7に示すように、PLLを使用しない条件の場合よりも、使用できる入力信号のレンジを広くすることが分かる。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the VSL voltage and the VCO output frequency when the reference point (V RST , F AZ ) is fixed by the PLL.
FIG. 8 shows the relationship between the VSL voltage (not directly connected to the VCO due to the DC cut capacity) and the VCO output frequency when the PLL loop is implemented in the circuit of FIG.
The range of usable input signals is from the input voltage under the Fast condition when outputting FAZ to the input voltage under the Fast condition when outputting the lower limit frequency FMIN that can be used as the VCO. As shown in FIG. 7, it can be seen that the range of input signals that can be used is wider than in the case where the PLL is not used.
VSL電圧―VCO出力周波数の関係が、線形である場合、任意のVSLの電圧2点でのVCO出力周波数を検出し、その変化量の比をとることにより、Kv値を検出することができる。
このKv値を出力される値にフィードバックすることで、温度、電源電圧、プロセスバラつきに依存しないKv値を計算することが可能である。
以下、本実施形態の特徴的な第1から第4の方法を説明する。
When the relationship between the VSL voltage and the VCO output frequency is linear, it is possible to detect the Kv value by detecting the VCO output frequency at two arbitrary VSL voltages and taking the ratio of the amount of change.
By feeding back the Kv value to the output value, it is possible to calculate the Kv value independent of temperature, power supply voltage, and process variation.
Hereinafter, characteristic first to fourth methods of the present embodiment will be described.
<5.第1の方法の説明>
図9(A)〜(C)は、本実施形態に係る第1の方法を説明するための図である。
図9(A)は図6のPLLループ期間<3>時の等価回路を、図9(B)は図6のP相カウント期間<4>時の等価回路を、図9(C)は図6の転送ゲートON<5>時の等価回路をそれぞれ示している。
<5. Explanation of the first method>
9A to 9C are diagrams for explaining the first method according to the present embodiment.
9A is an equivalent circuit during the PLL loop period <3> in FIG. 6, FIG. 9B is an equivalent circuit during the P-phase count period <4> in FIG. 6, and FIG. 6 shows an equivalent circuit when the transfer gate is ON <5>.
この第1の方法では、ダミー画素トランジスタ20のゲートに任意の電圧を印加することで、有効画素を読み出す場合と同じ条件化でのKv値検出回路として動作する。
この第1の方法は、P相、D相カウント期間のそれぞれに、ダミーソースフォロワ(ダミー画素トランジスタ)20のゲートに既知の任意の信号V’RST、V’MINを印加する。
そして、前述のAD変換のシーケンスに沿ってカウンタに保持されたΔCをKv値としてそのままDPU17に転送する方法である。
In this first method, an arbitrary voltage is applied to the gate of the
In the first method, known arbitrary signals V ′ RST and V ′ MIN are applied to the gate of the dummy source follower (dummy pixel transistor) 20 in each of the P-phase and D-phase count periods.
Then, according to the above-described AD conversion sequence, ΔC held in the counter is transferred as it is to the
この第1の方法によれば、以下の利点がある。
実際の動作と同じ条件でKv値を検出できる。
カラム内部の回路構成をシンプルにすることができる。
実際の画素信号のレベルとVCO出力周波数間のKv値を検出できる。
This first method has the following advantages.
The Kv value can be detected under the same conditions as the actual operation.
The circuit configuration inside the column can be simplified.
The Kv value between the actual pixel signal level and the VCO output frequency can be detected.
<6.第2の方法の説明>
図10(A)〜(C)は、本実施形態に係る第2の方法を説明するための図である。
図10(A)は図6のPLLループ期間<3>時の等価回路を、図10(B)は図6のP相カウント期間<4>時の等価回路を、図10(C)は図6の転送ゲートON<5>時の等価回路をそれぞれ示している。
<6. Explanation of Second Method>
FIGS. 10A to 10C are diagrams for explaining the second method according to the present embodiment.
10A is an equivalent circuit during the PLL loop period <3> in FIG. 6, FIG. 10B is an equivalent circuit during the P-phase count period <4> in FIG. 6, and FIG. 6 shows an equivalent circuit when the transfer gate is ON <5>.
この第2の方法では、図6のPLLループ期間<3>の動作は不要である。
第2の方法においては、図10(B),(C)に示すように、スイッチSW1がOFFの状態でVCO1411に外部電圧EVを印加するスイッチSW2を追加することにより、VCOのKv値を検出する回路として実現される。
In the second method, the operation in the PLL loop period <3> in FIG. 6 is unnecessary.
In the second method, as shown in FIGS. 10B and 10C, the Kv value of the VCO is detected by adding the switch SW2 for applying the external voltage EV to the
本第2の方法によれば、以下の利点がある。
DCカット容量C1を経由する図9の方法に対して、スイッチングノイズ等の影響がない。
そのため、CDSを実施する必要がなく、外部から2条件の入力電圧を印加するだけで、それぞれの出力周波数を直接検出でき、PLLループを作る必要がある図9の場合に比べ、時間がかからない。
ダミー画素トランジスタを経由しないため、VCO単体のKv値を検出できる。
The second method has the following advantages.
The method of FIG. 9 that passes through the DC cut capacitor C1 is not affected by switching noise or the like.
Therefore, it is not necessary to perform CDS, and by simply applying two external input voltages, the respective output frequencies can be detected directly, which is less time consuming than in the case of FIG. 9 where a PLL loop needs to be created.
Since it does not go through the dummy pixel transistor, the Kv value of the VCO alone can be detected.
上記第1の方法および第2の方法で取得したKv値を実際の出力の値にフィードバックさせる方法について、第3の方法および第4の方法の2通りを以下に示す。 Regarding the method of feeding back the Kv value acquired by the first method and the second method to the actual output value, two methods, the third method and the fourth method, are shown below.
<7.第3の方法の説明>
図11は、本実施形態に係る第3の方法を適用したCMOSイメージセンサの要部構成を示す図である。
本第3の方法を適用したCMOSイメージセンサ1Aは、センサ内部、もしくは外部にラインメモリ(SRAM)30を搭載し、第1および第2の方法で取得したKv値を任意の演算しやすい形に(たとえば、標準のKv値の何倍かという形にして)保持しておく。
そして、有効画素行が読み込まれた場合、各列の出力値と、このラインメモリに保持した値を演算器に通すことで、Kv値によるばらつきを補正することができる。
<7. Explanation of the third method>
FIG. 11 is a diagram showing a main configuration of a CMOS image sensor to which the third method according to the present embodiment is applied.
A CMOS image sensor 1A to which the third method is applied has a line memory (SRAM) 30 mounted inside or outside the sensor, and the Kv value obtained by the first and second methods can be easily calculated arbitrarily. (For example, in the form of several times the standard Kv value).
When an effective pixel row is read, variation due to the Kv value can be corrected by passing the output value of each column and the value held in the line memory through an arithmetic unit.
図12は、図10の回路を実際に動作させるシーケンスの一例を示す図である。
図12に示すように、第3の方法においては、Kv検出用信号を垂直転送するHタイミングの次のHタイミングで水平転送を行い、DPU17にKv検出用信号を取り込む。
そこで、Kv値を演算子31、ラインメモリ30に取り込んだ上で、次のラインで、画素からの信号に対し、補正値(たとえば基準のKv値を各列のKv値で割ったもの)をかけることにより、Kv値のばらつきに対する補正を行うことができる。
FIG. 12 is a diagram showing an example of a sequence for actually operating the circuit of FIG.
As shown in FIG. 12, in the third method, horizontal transfer is performed at the H timing next to the H timing for vertical transfer of the Kv detection signal, and the Kv detection signal is taken into the
Therefore, after taking the Kv value into the
本第3の方法によれば、以下の利点がある。
カラム毎に補正をすることができるため、ゲイン性縦筋が補正できる。
DPU内部の処理なので、Kv値を検出した次のフレームで反映させることができる。
The third method has the following advantages.
Since the correction can be made for each column, the gain vertical stripe can be corrected.
Since it is a process inside the DPU, it can be reflected in the next frame in which the Kv value is detected.
<8.第4の方法の説明>
図13は、本実施形態に係る第4の方法を適用したCMOSイメージセンサの要部構成を示す図である。
図13に示すように、第4の方法においては。カラム毎のプロセスばらつきが問題にならない前提で、検出したカラムアレイのKv値から平均値、中央値、もしくは任意の設定値を計算し、その値を基にして、VCO1411を制御する。
ここで、VCO1411を制御する方法としては以下のように行う。
たとえば、VCOが奇数個のインバータで構成されたリングオシレータの場合は、各インバータのバイアス電流量、もしくはインバータのトランジスタTrのサイズを制御することで、インバータ内部のトランジスタTrのgmを調節する。
もしくは、インバータの入出力に接続している負荷容量の値を調節することでVCOのKv値を調節することができる。
<8. Explanation of the fourth method>
FIG. 13 is a diagram showing a main configuration of a CMOS image sensor to which the fourth method according to the present embodiment is applied.
As shown in FIG. 13, in the fourth method. On the premise that process variation for each column does not become a problem, an average value, a median value, or an arbitrary set value is calculated from the detected Kv value of the column array, and the
Here, the
For example, when the VCO is a ring oscillator composed of an odd number of inverters, the gm of the transistor Tr in the inverter is adjusted by controlling the bias current amount of each inverter or the size of the transistor Tr of the inverter.
Alternatively, the Kv value of the VCO can be adjusted by adjusting the value of the load capacity connected to the input / output of the inverter.
図14は、図13の回路を実際に動作させるシーケンスの一例を示す図である。
図14に示すように、第4の方法においては、DPU17まで入ったKv検出用信号の1H分のアレイのうちの一部(もしくは全部)から、VCO1411のKv値の制御値を計算する。
次のラインで制御値をKv値制御回路40に反映させ、VCOのKv値を直接補正することで、このラインの画素信号をAD変換する際に、補正をかけることができる。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a sequence for actually operating the circuit of FIG.
As shown in FIG. 14, in the fourth method, the control value of the Kv value of the
By reflecting the control value on the Kv
本第4の方法によれば、以下の利点がある。
ラインメモリが不要になる
カラムによるAD変換の段階で補正がかかるため、後段で複雑な演算処理をする必要がない。
The fourth method has the following advantages.
No line memory is required Since correction is applied at the stage of AD conversion by the column, it is not necessary to perform complicated arithmetic processing in the subsequent stage.
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
VCOを使ったAD変換器をもつイメージセンサの問題点として考えられる時間的、空間的なkv値バラつきを抑制することができる。
kv値バラつきによって発生されると思われる出力画像のゲイン性の縦筋ノイズ、および、フレームごとの明るさのバラつきが軽減された、ノイズもしくは画面のちらつきのない映像を出す撮像素子を製造することができる。
本実施形態によれば、撮像素子の段階でノイズの軽減を実現させることができるので、チップ後段の回路、もしくはブロックで、補正回路を別途搭載する必要がなくなり、回路構成を簡便にすることができる。
そのため、後段の信号処理システムのチップ面積、消費電力の削減、信号処理にかかるタイムラグの削減に寄与できる。
本実施形態によれば、プロセスばらつきによるKv値の影響が軽減するため、歩留まりの向上が期待できる。
また。温度、電源電圧の変動によるKv値の影響が軽減するので、過酷な条件での用途にも適応できる。
また、本実施形態は、従来の技術で作製できる回路の組み合わせ、動作シーケンスで実現させており、回路規模についても、この発明をセンサに搭載することは容易な大きさである。
本実施形態によれば、Ramp波とコンパレータを用いた逐次比較形のAD変換器よりも、高速、高精度のAD変換が可能であるVCOを使ったAD変換器をもつ撮像素子の実用化が期待できる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
Temporal and spatial variations in kv values that can be considered as problems of an image sensor having an AD converter using a VCO can be suppressed.
Manufacturing an image sensor that produces an image with no noise or screen flicker, in which the vertical stripe noise in the output image, which seems to be generated by kv value variation, and the brightness variation of each frame is reduced. Can do.
According to the present embodiment, noise reduction can be realized at the stage of the image sensor, so that it is not necessary to separately install a correction circuit in a circuit or block subsequent to the chip, and the circuit configuration can be simplified. it can.
For this reason, it is possible to contribute to reduction of the chip area, power consumption, and time lag of signal processing in the signal processing system at the subsequent stage.
According to this embodiment, since the influence of the Kv value due to process variations is reduced, an improvement in yield can be expected.
Also. Since the influence of the Kv value due to variations in temperature and power supply voltage is reduced, it can be adapted to applications under severe conditions.
In addition, this embodiment is realized by a combination of circuits and an operation sequence that can be manufactured by a conventional technique, and it is easy to mount the present invention on a sensor in terms of circuit scale.
According to the present embodiment, an imaging device having an AD converter using a VCO capable of high-speed and high-precision AD conversion can be put into practical use rather than a successive approximation AD converter using a ramp wave and a comparator. I can expect.
このような効果を有する固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラの撮像デバイスとして適用することができる。 A solid-state imaging device having such an effect can be applied as an imaging device for a digital camera or a video camera.
<9.カメラシステムの構成例>
図15は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
<9. Configuration example of camera system>
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a configuration of a camera system to which the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention is applied.
本カメラシステム200は、図15に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子100が適用可能な撮像デバイス210を有する。
カメラシステム200は、撮像デバイス210の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系として、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ220を有する。
さらに、カメラシステム200は、撮像デバイス210を駆動する駆動回路(DRV)230と、撮像デバイス210の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)240と、を有する。
As shown in FIG. 15, the
The
The
駆動回路230は、撮像デバイス210内の回路を駆動するスタートパルスやクロックパルスを含む各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ(図示せず)を有し、所定のタイミング信号で撮像デバイス210を駆動する。
The
また、信号処理回路240は、撮像デバイス210の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路240で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路240で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
The
The image signal processed by the
上述したように、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、撮像デバイス210として、先述した固体撮像素子100を搭載することで、高精度なカメラが実現できる。
As described above, a high-precision camera can be realized by mounting the above-described solid-state imaging device 100 as the
1…CMOSイメージセンサ、10…画素部、11…画素回路、12…行選択回路、13…行駆動回路、14…カラム処理回路、15…水平走査回路、16…制御回路、17…DPU、19…電流源、20…ダミー画素トランジスタ、111…光電変換素子、112…転送トランジスタ、113…リセットトランジスタ、114…増幅トランジスタ、115…選択トランジスタ、141…ADC回路、1411…VCO、1412…プリカウンタ、1413…位相比較器、1414…チャージポンプ、1415…ローパスフィルタ(LPF)、1416…カウンタ、200・・・カメラシステム、210・・・撮像デバイス、320・・・レンズ、230・・・駆動回路、240・・・信号処理回路。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第1の期間と第2の期間に上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行い、アナログデジタル(AD)変換を行うAD変換部を含む読み出し部と、
ゲートへの信号レベルに応じたダミー画素信号を上記読み出し部に供給するダミー画素と、を有し、
上記読み出し部は、
上記読み出し信号の電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する電圧制御発振器と、
上記電圧制御発振器が生成した上記クロック信号をカウントするプリカウンタと、
上記プリカウンタの出力をカウントするカウンタと、を含み、
上記第1の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はダウンまたはアップの第1の方向に動作し、上記第2の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はアップまたはダウンの第1の方向とは逆の第2の方向に動作し、
上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理を行う
固体撮像素子。 A pixel unit in which a plurality of pixels that perform photoelectric conversion are arranged in a matrix;
A readout unit including an AD conversion unit that performs readout of pixel signals from the pixel unit in a plurality of pixel units in the first period and the second period and performs analog-digital (AD) conversion;
A dummy pixel that supplies a dummy pixel signal corresponding to the signal level to the gate to the readout unit,
The readout section is
A voltage controlled oscillator that generates a clock signal having a frequency according to the voltage of the read signal;
A pre-counter that counts the clock signal generated by the voltage-controlled oscillator;
A counter for counting the output of the pre-counter,
In the first period, the count operation of the pre-counter and the counter operates in a first direction of down or up, and in the second period, the count operation of the pre-counter and the counter is up or Operates in a second direction opposite to the first direction of down;
Signals having different levels are applied to the gates of the dummy pixels in the first period and the second period, and the value held in the counter is set as a Kv value that is a ratio of the input voltage to the output frequency of the voltage controlled oscillator. A solid-state imaging device that performs the first process of output.
全白に相当する信号と全黒に相当する信号を、上記ダミー画素のゲートに印加する
請求項1記載の固体撮像素子。 The readout section is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a signal corresponding to all white and a signal corresponding to all black are applied to the gate of the dummy pixel.
上記電圧制御発振器に、任意の既知のレベルの電圧に直接印加して、上記Kv値を得る第2の処理が可能である
請求項1または2記載の固体撮像素子。 The readout section is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second process of obtaining the Kv value by directly applying a voltage of an arbitrary known level to the voltage-controlled oscillator is possible.
全黒に相当するダミー画素信号と、任意の既知のレベルのダミー画素信号をそれぞれ読み出しフレームの頭に読み出し、Kv値を計算して、当該計算結果を以降の画素読み出し信号にフィードバックさせる
請求項3記載の固体撮像素子。 The readout section is
4. A dummy pixel signal corresponding to all black and a dummy pixel signal of an arbitrary known level are read out at the beginning of a readout frame, a Kv value is calculated, and the calculation result is fed back to a subsequent pixel readout signal. The solid-state imaging device described.
上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理と、
上記電圧制御発振器に、任意の既知のレベルの電圧に直接印加して、上記Kv値を得る第2の処理とを行い、
上記第1の処理と上記第2の処理で得られた上記Kv値をラインメモリに保持し、次に読み出し行以降の画象信号と掛け合わせることでゲイン性ノイズを除去する
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。 The readout section is
Signals having different levels are applied to the gates of the dummy pixels in the first period and the second period, and the value held in the counter is set as a Kv value that is a ratio of the input voltage to the output frequency of the voltage controlled oscillator. A first process to output;
A second process for obtaining the Kv value by directly applying a voltage of any known level to the voltage controlled oscillator;
5. The gain noise is removed by holding the Kv value obtained in the first process and the second process in a line memory, and then multiplying it with an image signal in the read row and thereafter. The solid-state image sensor as described in any one of these.
上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理と、
上記電圧制御発振器に、任意の既知のレベルの電圧に直接印加して、上記Kv値を得る第2の処理とを行い、
上記第1の処理と上記第2の処理で得られた上記Kv値の兵器値、中央値、または任意の最適値を求め、当該求めた値を上記各列の電圧制御発振器にフィードバックすることにより、各列の電圧制御発振器の上記Kv値をフレーム周期で揃えてゲイン性ノイズを除去する
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。 The readout section is
Signals having different levels are applied to the gates of the dummy pixels in the first period and the second period, and the value held in the counter is set as a Kv value that is a ratio of the input voltage to the output frequency of the voltage controlled oscillator. A first process to output;
A second process for obtaining the Kv value by directly applying a voltage of any known level to the voltage controlled oscillator;
By obtaining the weapon value, median value, or any optimum value of the Kv value obtained in the first process and the second process, and feeding back the obtained value to the voltage-controlled oscillator in each column 5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein gain noise is removed by aligning the Kv values of the voltage-controlled oscillators in each column with a frame period.
上記固体撮像素子の画素領域に入射光を導く光学系と、
上記固体撮像素子が出力した出力信号を処理する信号処理部とを有し、
上記固体撮像素子は、
光電変換を行う複数の画素が行列状に配列された画素部と、
第1の期間と第2の期間に上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行い、アナログデジタル(AD)変換を行うAD変換部を含む読み出し部と、
ゲートへの信号レベルに応じたダミー画素信号を上記読み出し部に供給するダミー画素と、を有し、
上記読み出し部は、
上記読み出し信号の電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する電圧制御発振器と、
上記電圧制御発振器が生成した上記クロック信号をカウントするプリカウンタと、
上記プリカウンタの出力をカウントするカウンタと、を含み、
上記第1の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はダウンまたはアップの第1の方向に動作し、上記第2の期間には、上記プリカウンタおよび上記カウンタのカウント動作はアップまたはダウンの第1の方向とは逆の第2の方向に動作し、
上記ダミー画素のゲートに、第1の期間と第2の期間で異なるレベルの信号を印加し、上記カウンタに保持された値を上記電圧制御発振器の入力電圧と出力周波数の比であるKv値として出力する第1の処理を行う
カメラシステム。 A solid-state image sensor;
An optical system for guiding incident light to the pixel region of the solid-state imaging device;
A signal processing unit that processes an output signal output from the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device is
A pixel unit in which a plurality of pixels that perform photoelectric conversion are arranged in a matrix;
A readout unit including an AD conversion unit that performs readout of pixel signals from the pixel unit in a plurality of pixel units in the first period and the second period and performs analog-digital (AD) conversion;
A dummy pixel that supplies a dummy pixel signal corresponding to the signal level to the gate to the readout unit,
The readout section is
A voltage controlled oscillator that generates a clock signal having a frequency according to the voltage of the read signal;
A pre-counter that counts the clock signal generated by the voltage-controlled oscillator;
A counter for counting the output of the pre-counter,
In the first period, the count operation of the pre-counter and the counter operates in a first direction of down or up, and in the second period, the count operation of the pre-counter and the counter is up or Operates in a second direction opposite to the first direction of down;
Signals having different levels are applied to the gates of the dummy pixels in the first period and the second period, and the value held in the counter is set as a Kv value that is a ratio of the input voltage to the output frequency of the voltage controlled oscillator. A camera system that performs a first process of output.
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WO2015133350A1 (en) * | 2014-03-01 | 2015-09-11 | 江藤 剛治 | Imaging element, image capturing apparatus, and measuring system |
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