JP2012109888A - Solid state image pickup device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state image pickup device of high picture quality with reduced horizontal line noise.SOLUTION: One embodiment of the solid state image pickup device of present invention is a solid state image pickup device which reads a pixel signal from a unit pixel Pnm selected in units of row. It includes an amplifying transistor M4 contained in each unit pixel, a first transistor MLm which is provided to each row and supplies a bias current to the amplifying transistor M4 that belongs to a selected row, a primary side mirror transistor MF which is a current source for generating a reference bias voltage, a first bias signal line which transmits the reference bias voltage to a gate terminal of the first transistor MLm from a gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the current source, and a sample hold circuit 250 which is inserted into a bias signal line between the gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the current source and the gate terminal of each first transistor MLm.

Description

本発明は、特にビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ用のイメージ入力装置に広範に用いられている固体撮像装置、カメラおよび固体撮像装置の駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, a camera, and a driving method for the solid-state imaging device that are widely used in image input devices especially for video cameras and digital still cameras.

従来の固体撮像装置、特に撮像領域中のある一行の画素を選択し、選択された画素でそれぞれ生じた画素信号を並列に列信号線を介して読み出す列並列出力型のMOSイメージセンサにおいては、複数または単一の画素部の列毎に相関二重検出(CDS:Correlated Double Sampling)回路を設け、画素の信号成分は、リセット成分とデータ成分(=リセット成分+信号成分)を相関二重検出することにより検出している。   In a conventional solid-state imaging device, particularly in a column parallel output type MOS image sensor that selects pixels in a certain row in an imaging region and reads out pixel signals generated by the selected pixels in parallel via column signal lines, A correlated double sampling (CDS) circuit is provided for each column of multiple or single pixel units, and the signal component of the pixel is correlated double detection of the reset component and the data component (= reset component + signal component) It is detected by doing.

近年、固体撮像装置の高解像度になってきたことから、今まで以上に低ノイズ化が望まれるようになってきている。一般に、固体撮像装置から発生するノイズは、その種類により横線ノイズと縦線ノイズとに大別できる。   In recent years, since the resolution of a solid-state imaging device has been increased, lower noise is desired more than ever. In general, noise generated from a solid-state imaging device can be roughly classified into horizontal line noise and vertical line noise depending on the type.

縦線ノイズの大部分はFPN(Fixed Pattern Noise)に起因したもので、ノイズが発生している列はデバイスごとに固定していることから固体撮像装置の後段に接続されたDSP(Digital Signal Processor)などの補正技術により、デバイスごとに最適化されて大部分を除去できる。   Most of the vertical line noise is caused by FPN (Fixed Pattern Noise), and the column in which the noise is generated is fixed for each device. Therefore, a DSP (Digital Signal Processor) connected to the subsequent stage of the solid-state imaging device. ) And other correction techniques can be optimized for each device and most of them can be removed.

これに対して、横線ノイズには、列並列出力型のイメージセンサ特有のランダム横線ノイズや、また、ノイズが発生する行が被写体の高輝度部分に対応して随時変動する高輝度ストリーキングがあり、これらは、デバイスごとに補正することはできず、その絶対量の低減化が望まれている。   On the other hand, the horizontal line noise includes random horizontal line noise peculiar to a column parallel output type image sensor, and high-intensity streaking in which the row where the noise occurs corresponds to the high-intensity part of the subject. These cannot be corrected for each device, and reduction of the absolute amount is desired.

一般的には、画面全体にランダムに発生するランダムノイズは、視覚的に認識しにくいが、横線ノイズは視覚的に認識しやすいものである。このため、具体的には、横線ノイズはランダムノイズよりも1/10倍程度の低ノイズ化が必要である。特許文献1には横線ノイズを改善できる技術が開示されている。   In general, random noise generated randomly on the entire screen is difficult to visually recognize, but horizontal line noise is easily visually recognized. Therefore, specifically, the horizontal line noise needs to be reduced to about 1/10 times that of the random noise. Patent Document 1 discloses a technique that can improve horizontal line noise.

図6には、特許文献1に記載の従来方式が示されている。列信号線VL1〜VLmに流れるバイアス電流Ibias1〜Ibiasmは、画素の増幅トランジスタM3の出力電圧が、定電流回路242の負荷トランジスタML1〜MLmのドレイン端子を介してゲート端子に印加されることによって決定され、いわゆる自己バイアス方式によって決定される。そして、CDS期間は、定電流回路242の負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子間に接続された容量素子C1によってゲート端子とソース端子間の電圧差Vgsの電圧が一定となり、一定電流が流れる。   FIG. 6 shows a conventional method described in Patent Document 1. The bias currents Ibias1 to Ibiasm flowing in the column signal lines VL1 to VLm are determined by applying the output voltage of the pixel amplification transistor M3 to the gate terminals via the drain terminals of the load transistors ML1 to MLm of the constant current circuit 242. Determined by a so-called self-bias method. In the CDS period, the voltage difference Vgs between the gate terminal and the source terminal becomes constant by the capacitive element C1 connected between the gate terminal and the source terminal of the load transistors ML1 to MLm of the constant current circuit 242, and the constant current is Flowing.

この構成によれば、列ごとにゲート端子は接続されておらず独立であるため、列並列出力型のイメージセンサ特有のランダム横線ノイズが低減される。また、相関二重検出(CDS)によりリセット成分とデータ成分(=リセット成分+信号成分)を読み出す期間中は、定電流回路242の負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子間に接続された容量素子C1によってゲート端子とソース端子間の電圧差Vgsの電圧が一定となるため、GNDラインの電圧降下が変動しても、バイアス電流Ibias1〜Ibiasmは一定電流となり、高輝度ストリーキングが低減される。   According to this configuration, since the gate terminal is not connected to each column and is independent, random horizontal noise specific to the column parallel output type image sensor is reduced. Further, during the period of reading out the reset component and the data component (= reset component + signal component) by correlated double detection (CDS), the load transistors ML1 to MLm of the constant current circuit 242 are connected between the gate terminals and the source terminals. Since the voltage of the voltage difference Vgs between the gate terminal and the source terminal is made constant by the capacitive element C1, even if the voltage drop of the GND line fluctuates, the bias currents Ibias1 to Ibiasm become constant current, and high luminance streaking is reduced. .

特許第3500761号公報Japanese Patent No. 3500761

しかしながら、特許文献1に開示された従来技術では、横線ノイズを低減させることはできるが、下記2つの課題を有していた。   However, although the prior art disclosed in Patent Document 1 can reduce horizontal noise, it has the following two problems.

1つ目の課題は、低消費電力化の実現が困難であることである。従来方式では、定電流回路242に流れるバイアス電流Ibias1〜Ibiasmは、画素の増幅トランジスタM3の出力電圧が、ドレイン端子を介してゲート端子に印加されることによって決定され、いわゆる自己バイアス方式によって決定される。このために、ばらつき変動が大きいという問題がある。特に、画素の増幅トランジスタM3のサイズは微細であり、このばらつきの影響が顕著である。また、近年の高画素化(例えば1000万画素以上)にともなうプロセスルールの微細化により、画素欠陥の個数が増えてきており、バイアス電流Ibias1〜Ibiasmのばらつき要因は増加してきている。   The first problem is that it is difficult to realize low power consumption. In the conventional method, the bias currents Ibias1 to Ibiasm flowing through the constant current circuit 242 are determined by applying the output voltage of the pixel amplification transistor M3 to the gate terminal via the drain terminal, and are determined by a so-called self-bias method. The For this reason, there is a problem that variation variation is large. In particular, the size of the amplifying transistor M3 of the pixel is fine, and the influence of this variation is remarkable. In addition, the number of pixel defects has been increased due to the miniaturization of process rules accompanying the recent increase in the number of pixels (for example, 10 million pixels or more), and the variation factors of the bias currents Ibias1 to Ibiasm have increased.

つまり、このバイアス電流が、自己バイアス方式で生成されているために、電源電圧変動や温度変動やデバイスばらつきによる影響を大きく受けてしまう。具体的には、近年必要とされる1μAオーダーの精度は全くなく、そのために低消費電力化が困難であった。つまり、ばらつきの最小値を考慮して、typ設定で過大電流を流す必要があり、仮に、1列当たりの必要電流が2μAであっても、ばらつきの最小値を考慮してtyp設定を10μAにすると、Vdd=3.3Vとして、3000列あれば、消費電力はVdd・(10μA-2μA)・3000列=79mWも過大に消費してしまう。   That is, since this bias current is generated by the self-bias method, it is greatly affected by power supply voltage fluctuations, temperature fluctuations, and device variations. Specifically, there is no accuracy of the order of 1 μA that is required in recent years, and it has therefore been difficult to reduce power consumption. That is, it is necessary to flow an excessive current at the typ setting in consideration of the minimum value of variation, and even if the required current per column is 2 μA, the typ setting is set to 10 μA in consideration of the minimum value of variation. Then, assuming that Vdd = 3.3V and 3000 columns, the power consumption is excessively consumed as Vdd · (10 μA−2 μA) · 3000 columns = 79 mW.

このため、最近のカメラセットの小型化による放熱性の劣化に対して、従来技術は課題を有しており、低消費電力化の技術開発は急務となっている。   For this reason, the conventional technology has a problem with respect to the deterioration of heat dissipation due to the recent downsizing of the camera set, and the development of technology for reducing power consumption is an urgent task.

2つ目の課題は、フォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化である。従来方式では、負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子間に接続された容量素子C1によってゲート端子とソース端子間の電圧差Vgsの電圧が保持されることを目的としていた。   The second problem is the deterioration of the linearity of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detector D1. The conventional method aims to hold the voltage difference Vgs between the gate terminal and the source terminal by the capacitive element C1 connected between the gate terminal and the source terminal of the load transistors ML1 to MLm.

しかしながら、列信号線VL1〜VLmが変動したときに、負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子との間の寄生容量Cgd1によって、Vgsの電圧が変動してしまうことが起こる。つまり、定電流回路252に流れる電流Ibias1〜Ibiasmが、増幅トランジスタM3の出力電圧に応じて変動してしまい、リニアリティの劣化が発生する。   However, when the column signal lines VL1 to VLm change, the voltage Vgs changes due to the parasitic capacitance Cgd1 between the load transistors ML1 to MLm. That is, the currents Ibias1 to Ibiasm flowing through the constant current circuit 252 vary according to the output voltage of the amplification transistor M3, and linearity degradation occurs.

特に、この寄生容量Cgd1は、拡散工程で管理されていないため、列ごとの相対ばらつきを有しており、列ごとにリニアリティが異なってしてしまう。   In particular, since the parasitic capacitance Cgd1 is not managed in the diffusion process, the parasitic capacitance Cgd1 has a relative variation for each column, and the linearity is different for each column.

そこで、本発明は、上述した従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、視覚的に認識しやすい横線ノイズを改善することができる高画質かつ低消費電力化を実現した固体撮像装置、カメラおよび固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object thereof is a solid state that realizes high image quality and low power consumption capable of improving horizontal line noise that is easily visually recognized. An imaging device, a camera, and a driving method of a solid-state imaging device are provided.

特に、低消費電力化に関しては、最近のカメラセットの小型化には好適である。   In particular, regarding low power consumption, it is suitable for downsizing of recent camera sets.

上記課題を解決するために本発明の1形態における固体撮像装置は、行列状に配置された複数の単位画素を有し行単位に選択される単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置であって、前記複数の単位画素のそれぞれに含まれ、画素信号を出力する増幅トランジスタと、増幅された信号が読み出される列信号線と、列毎に設けられ、選択された行に属する増幅トランジスタにバイアス電流を供給する第1のトランジスタと、ドレイン端子とゲート端子とがショートされ、ソース端子と前記ドレイン端子間に供給される一定の基準バイアス電流により、前記ゲート端子に第1の基準バイアス電圧を発生する第2のトランジスタと、前記第2のトランジスタの前記ゲート端子から、各前記第1のトランジスタのゲート端子に、前記第1の基準バイアス電圧を伝達することにより、前記基準バイアス電流に対して前記バイアス電流をミラー化するための第1のバイアス信号線と、前記第2のトランジスタの前記ゲート端子と各第1のトランジスタの前記ゲート端子との間の前記第1のバイアス信号線に挿入された第1のサンプルホールド回路とを備える。   In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to one aspect of the present invention is a solid-state imaging device that reads a pixel signal from unit pixels that are selected in rows and have a plurality of unit pixels arranged in a matrix. , An amplification transistor included in each of the plurality of unit pixels and outputting a pixel signal; a column signal line from which the amplified signal is read; and a bias current applied to the amplification transistor belonging to the selected row provided for each column. And a drain terminal and a gate terminal are short-circuited, and a first reference bias voltage is generated at the gate terminal by a constant reference bias current supplied between the source terminal and the drain terminal. From the gate terminal of the second transistor and the second transistor to the gate terminal of each of the first transistors, the first reference Transmitting a bias voltage to mirror the bias current with respect to the reference bias current; the gate terminal of the second transistor; and the gate of each first transistor. And a first sample and hold circuit inserted in the first bias signal line between the terminals.

この構成によれば、サンプルホールド回路は、カレントミラーの基準バイアス電流を生成する第2トランジスタにおいて生じるノイズ成分を除去することができる。最終的には、増幅トランジスタから出力される画素信号からもノイズ成分を除去し、横線ノイズを効果的に低減することができる。この結果、高画質の画像を得ることができる。   According to this configuration, the sample and hold circuit can remove a noise component generated in the second transistor that generates the reference bias current of the current mirror. Finally, noise components can be removed from the pixel signal output from the amplification transistor, and horizontal line noise can be effectively reduced. As a result, a high-quality image can be obtained.

ここで、前記第1のサンプルホールド回路は、前記第2のトランジスタの前記ゲート端子と各第1トランジスタの前記ゲート端子との間の前記第1のバイアス信号線に挿入された第1のスイッチ素子と、前記第1のトランジスタの前記ゲート端子とソース端子とに接続された第1の容量素子とを備えるとしてもよい。   Here, the first sample-and-hold circuit includes a first switch element inserted in the first bias signal line between the gate terminal of the second transistor and the gate terminal of each first transistor. And a first capacitor connected to the gate terminal and the source terminal of the first transistor.

この構成によれば、第1のサンプルホールド回路を、スイッチ素子と容量素子とからなる単純な回路により形成することができる。   According to this configuration, the first sample and hold circuit can be formed by a simple circuit including a switch element and a capacitor element.

ここで、前記単位画素のそれぞれは、光を信号電荷に変化するフォトダイオードと、信号電荷をホールドする浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、前記フォトダイオードから浮遊拡散層に信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層にホールドされた信号電荷に応じた前記画素信号を出力する前記増幅トランジスタとを備え、前記第1のスイッチ素子は、前記リセットトランジスタによるリセット動作を含む第1の読み出し期間から前記転送トランジスタによる転送動作を含む第2の読み出し期間までのバイアスホールド期間中はオフであり、前記バイアスホールド期間の完了時にオンになるとしてもよい。   Here, each of the unit pixels includes a photodiode that changes light into a signal charge, a floating diffusion layer that holds the signal charge, a reset transistor that resets the signal charge in the floating diffusion layer, and a floating state from the photodiode. A transfer transistor for transferring a signal charge to the diffusion layer; and an amplification transistor for outputting the pixel signal corresponding to the signal charge held in the floating diffusion layer, wherein the first switch element is a reset transistor The bias hold period from the first read period including the reset operation to the second read period including the transfer operation by the transfer transistor may be off, and may be turned on when the bias hold period is completed.

この構成によれば、リセットトランジスタによるリセット動作を含む読み出し期間と前記転送トランジスタによる転送動作を含む読み出し期間までのCDS期間は、容量素子に電荷が保持されて一定電圧となる。この結果、後段のCDS回路によって、スイッチ素子によってサンプリングした瞬間に容量素子に重畳したノイズのDC成分は完全にキャンセルすることができ、横線ノイズを効果的に低減することができる。この結果、高画質の画像を得ることができる。   According to this configuration, during the read period including the reset operation by the reset transistor and the CDS period until the read period including the transfer operation by the transfer transistor, the charge is held in the capacitor and becomes a constant voltage. As a result, the DC component of the noise superimposed on the capacitive element at the moment of sampling by the switch element can be completely canceled by the subsequent CDS circuit, and the horizontal noise can be effectively reduced. As a result, a high-quality image can be obtained.

ここで、前記固体撮像装置は、列毎に設けられ、選択された行に属する前記増幅トランジスタにバイアス電流を供給する前記第1のトランジスタのドレイン端子の電圧を一定にする第3のトランジスタを備え、前記第3のトランジスタのソース端子が前記第1のトランジスタのドレイン端子に接続され、前記第3のトランジスタのドレイン端子が前記列信号線に接続され、前記第3のトランジスタのゲート端子が第2のバイアス信号線を介して接続されたバイアス回路から第2の基準バイアス電圧を印加されるとしてもよい。   Here, the solid-state imaging device includes a third transistor that is provided for each column and makes the voltage of the drain terminal of the first transistor that supplies a bias current to the amplification transistor belonging to the selected row constant. , A source terminal of the third transistor is connected to a drain terminal of the first transistor, a drain terminal of the third transistor is connected to the column signal line, and a gate terminal of the third transistor is a second terminal. The second reference bias voltage may be applied from a bias circuit connected via the bias signal line.

この構成によれば、画素の輝度レベルに応じた出力電圧のリニアリティの劣化を除去することができる。   According to this configuration, it is possible to eliminate the deterioration of the linearity of the output voltage according to the luminance level of the pixel.

ここで、前記固体撮像装置は、前記バイアス回路と各前記第3のトランジスタの前記ゲート端子との間の前記第2のバイアス信号線に挿入された第2のサンプルホールド回路とを備えるとしてもよい。   Here, the solid-state imaging device may include a second sample and hold circuit inserted in the second bias signal line between the bias circuit and the gate terminal of each third transistor. .

この構成によれば、サンプルホールド回路は、カスコードトランジスタのバイアス回路によって生じるノイズ成分を除去することができる。最終的には、増幅トランジスタから出力される画素信号からもノイズ成分を除去し、横線ノイズを効果的に低減することができる。この結果、高画質の画像を得ることができる。   According to this configuration, the sample and hold circuit can remove a noise component generated by the cascode transistor bias circuit. Finally, noise components can be removed from the pixel signal output from the amplification transistor, and horizontal line noise can be effectively reduced. As a result, a high-quality image can be obtained.

ここで、前記第2のサンプルホールド回路は、前記バイアス回路と各前記第3トランジスタの前記ゲート端子との間の前記第2のバイアス信号線に挿入された第2のスイッチ素子と、前記第3のトランジスタの前記ゲート端子と前記第1のトランジスタ側のソース端子とに接続された第2の容量素子とを備えるとしてもよい。   Here, the second sample-and-hold circuit includes a second switch element inserted in the second bias signal line between the bias circuit and the gate terminal of each third transistor, and the third switch element. A second capacitor connected to the gate terminal of the transistor and a source terminal on the first transistor side.

この構成によれば、第2のサンプルホールド回路を、スイッチ素子と容量素子とからなる単純な回路により形成することができる。   According to this configuration, the second sample and hold circuit can be formed by a simple circuit including a switch element and a capacitor element.

ここで、前記第2のスイッチ素子は、前記リセットトランジスタによるリセット動作を含む第1の読み出し期間から前記転送トランジスタによる転送動作を含む第2の読み出し期間までのバイアスホールド期間中はオフであり、前記バイアスホールド期間の完了時にオンになるとしてもよい。   Here, the second switch element is off during a bias hold period from a first read period including a reset operation by the reset transistor to a second read period including a transfer operation by the transfer transistor, It may be turned on when the bias hold period is completed.

この構成によれば、リセットトランジスタによるリセット動作を含む読み出し期間と前記転送トランジスタによる転送動作を含む読み出し期間までのCDS期間は、容量素子に電荷が保持されて一定電圧となる。この結果、後段のCDS回路によって、スイッチ素子によってサンプリングした瞬間に容量素子に重畳したノイズのDC成分は完全にキャンセルすることができ、横線ノイズを効果的に低減することができる。この結果、高画質の画像を得ることができる。   According to this configuration, during the read period including the reset operation by the reset transistor and the CDS period until the read period including the transfer operation by the transfer transistor, the charge is held in the capacitor and becomes a constant voltage. As a result, the DC component of the noise superimposed on the capacitive element at the moment of sampling by the switch element can be completely canceled by the subsequent CDS circuit, and the horizontal noise can be effectively reduced. As a result, a high-quality image can be obtained.

ここで、前記第1の容量素子と前記第2の容量素子はMOS型容量であり、前記第1の容量素子の第1のドレイン端と第1のソース端の上層には第1の金属配線層を備え、前記第2の容量素子の第2のドレイン端と第2のソース端の上層には前記第1の金属配線層を備え、前記第1のドレイン端、前記第1のソース端、前記第2のドレイン端、前記第2のソース端は前記第1の金属配線層で遮光されるとしてもよい。   Here, the first capacitor element and the second capacitor element are MOS type capacitors, and a first metal wiring is formed above the first drain end and the first source end of the first capacitor element. A first metal wiring layer over the second drain end and the second source end of the second capacitor element, the first drain end, the first source end, The second drain end and the second source end may be shielded from light by the first metal wiring layer.

この構成によれば、リセットトランジスタによるリセット動作を含む読み出し期間と前記転送トランジスタによる転送動作を含む読み出し期間までのCDS期間に、高輝度光が入射したときにPN接合部を有するドレイン端とソース端で発生する不要電荷を抑えることができる。   According to this configuration, a drain end and a source end having a PN junction when high-intensity light enters during a read period including a reset operation by a reset transistor and a CDS period from a read period including a transfer operation by the transfer transistor. Unnecessary charges generated in the can be suppressed.

ここで、前記第1の容量素子と前記第2の容量素子はMIM型容量であり、前記第1の容量素子の一方の電極を構成する第2の金属配線層はGND電位であり、前記第2の容量素子の一方の電極を構成する第2の金属配線層はGND電位であるとしてもよい。   Here, the first capacitor element and the second capacitor element are MIM type capacitors, the second metal wiring layer constituting one electrode of the first capacitor element is at the GND potential, The second metal wiring layer constituting one electrode of the two capacitor elements may be at the GND potential.

この構成によれば、拡散層を使用せず配線層で構成できるため、チップサイズの拡大を抑えることができる。   According to this configuration, since the diffusion layer is not used and the wiring layer can be used, an increase in chip size can be suppressed.

また、本発明の1形態におけるカメラ、固体撮像装置の駆動方法は、上記と同様の構成を有する。   In addition, the driving method of the camera and the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention has the same configuration as described above.

本発明に係る固体撮像装置によれば高解像度の固体撮像装置において発生する横線ノイズを効果的に低減し、低消費電力化との両立を実現できるという効果を奏する。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to effectively reduce the horizontal line noise generated in the high-resolution solid-state imaging device, and to realize the coexistence with low power consumption.

本発明の実施形態1に係る横線ノイズの低減化と低消費電力化の両立を実現することができる固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device which can implement | achieve both reduction of horizontal line noise and low power consumption concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態係るタイミングチャートである。It is a timing chart which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態2に係る横線ノイズの低減化と低消費電力化の両立を実現することができる固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device which can implement | achieve coexistence of reduction of horizontal line noise and low power consumption concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係る横線ノイズの低減化と低消費電力化の両立を実現することができる固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device which can implement | achieve coexistence of reduction of horizontal line noise and low power consumption concerning Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態1に係る裏面照射型の固体撮像装置の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a backside illumination type solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 従来技術における固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device in a prior art.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.

図1に示されているように、固体撮像装置は、列並列出力型のイメージセンサであり、画素アレイ200、定電流回路252、タイミングジェネレータ1、行走査回路2を備えている。画素アレイ200は、単位画素P11〜Pnmがn×m個の行列状に配列されて構成されている。定電流回路252は、列信号線VL1〜VLmを介して単位画素P11〜Pnmと接続されている。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device is a column parallel output type image sensor, and includes a pixel array 200, a constant current circuit 252, a timing generator 1, and a row scanning circuit 2. The pixel array 200 includes unit pixels P11 to Pnm arranged in an n × m matrix. The constant current circuit 252 is connected to the unit pixels P11 to Pnm via the column signal lines VL1 to VLm.

このような構成において、列(カラム)毎に1つずつの相関二重検出を行うCDS回路が画素アレイ200の後段側に配置され、出力端子Vout1〜Voutmより、画素信号を示す電圧が出力される。CDS動作では、リセット成分とデータ成分(=リセット成分+信号成分)を読み出す時、画素アレイ200の選択された行(ロー)の画素が同一クロックで同時に、列毎に設けられたCDS回路に画素信号を伝達する。そして、各CDS回路は取得した画素信号を順次後段に伝達する。   In such a configuration, a CDS circuit that performs correlated double detection for each column is arranged on the rear stage side of the pixel array 200, and voltages indicating pixel signals are output from the output terminals Vout1 to Voutm. The In the CDS operation, when the reset component and the data component (= reset component + signal component) are read, the pixels in the selected row (row) of the pixel array 200 are simultaneously applied to the CDS circuit provided for each column with the same clock. Communicate the signal. Each CDS circuit sequentially transmits the acquired pixel signal to the subsequent stage.

なお、CDS回路は、リセット成分とデータ成分のアナログ信号を相関二重検出するアナログ型CDS方式であっても、AD変換手段によってディジタル変換されたリセット成分とデータ成分のディジタル信号を相関二重検出するディジタル型CDS方式であっても構わない。相関二重検出では、従来は、画素信号の検出では、リセット成分とデータ成分(=リセット成分+信号成分)のアナログ信号を相関二重検出することにより信号成分を検出する手段がとられていた。最近では、さらなる低ノイズ化と高速化のために、画素信号の検出において、列毎に設けられたAD変換手段によってディジタル変換されたリセット成分とデータ成分(=リセット成分+信号成分)のディジタル信号を相関二重検出することにより検出する手段がとられることもある。   Even if the CDS circuit is an analog type CDS system that detects the analog signal of the reset component and the data component in a correlated double manner, the digital signal of the reset component and the data component that are digitally converted by the AD conversion means is detected in a correlated double manner. The digital CDS method may be used. In the correlated double detection, conventionally, in the detection of the pixel signal, a means for detecting the signal component by detecting the analog signal of the reset component and the data component (= reset component + signal component) by the correlated double detection has been taken. . Recently, in order to further reduce noise and speed, digital signals of reset components and data components (= reset components + signal components) digitally converted by AD conversion means provided for each column in pixel signal detection In some cases, a means for detecting by detecting correlated double is taken.

また、定電流回路252は、列信号線VL1〜VLmに接続され、列毎に設けられた負荷(load)トランジスタML1〜MLm、及び、これらと電流ミラー回路を構成する電流源の1次側ミラートランジスタMFから構成されている。   The constant current circuit 252 is connected to the column signal lines VL1 to VLm, and load transistors ML1 to MLm provided for each column, and a primary side mirror of a current source that forms a current mirror circuit with these transistors. The transistor MF is configured.

負荷トランジスタML1〜MLmは、列毎に設けられ、選択された行に属する増幅トランジスタM3にバイアス電流を供給する。1つの負荷トランジスタと選択された行に属する1つの増幅トランジスタM3とは、ソースフォロア回路を構成する。   The load transistors ML1 to MLm are provided for each column, and supply a bias current to the amplification transistors M3 belonging to the selected row. One load transistor and one amplification transistor M3 belonging to the selected row form a source follower circuit.

定電流回路252の1次側ミラートランジスタMFは、ドレイン端子とゲート端子とがショートされ、ドレイン端子は電流源251に接続され、ソース端子は接地されている。これにより、電流源の1次側ミラートランジスタMFは、ソース端子とドレイン端子間に一定の基準バイアス電流を発生し、ゲート端子に基準バイアス電圧VbiasLを発生する。   In the primary side mirror transistor MF of the constant current circuit 252, the drain terminal and the gate terminal are short-circuited, the drain terminal is connected to the current source 251 and the source terminal is grounded. As a result, the primary side mirror transistor MF of the current source generates a constant reference bias current between the source terminal and the drain terminal, and generates a reference bias voltage VbiasL at the gate terminal.

定電流回路252の1次側ミラートランジスタMFのゲート端子と、各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とは、バイアス信号線により接続されている。このバイアス信号線は、電流源の1次側ミラートランジスタMFのゲート端子から、各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子に基準バイアス電圧VbiasLを供給する。電流源の1次側ミラートランジスタMFと各負荷トランジスタML1〜MLmとは、カレントミラーを構成する。前記基準バイアス電流Ibiasに対して、各負荷トランジスタの前記バイアス電流はミラー電流である。ミラー比は1対1でもよいし、任意に定められた比でもよく、正確に電流を設定することができる。   The gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the constant current circuit 252 and the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm are connected by a bias signal line. This bias signal line supplies a reference bias voltage VbiasL from the gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the current source to the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm. The primary mirror transistor MF of the current source and the load transistors ML1 to MLm constitute a current mirror. With respect to the reference bias current Ibias, the bias current of each load transistor is a mirror current. The mirror ratio may be 1: 1 or may be an arbitrarily determined ratio, and the current can be accurately set.

また、単位画素P11〜Pnmの中で、例えば単位画素P11は、光を受けて光電荷を発生する1つのフォト検出部D1と4つのMOSトランジスタM1、M2、M3、M4とから構成されている。   Further, among the unit pixels P11 to Pnm, for example, the unit pixel P11 includes one photo detection unit D1 that receives light and generates photocharges, and four MOS transistors M1, M2, M3, and M4. .

これら4つのMOSトランジスタは、フォト検出部D1により集められた光電荷をフローティング拡散(Floating Diffusion)領域に転送するための転送トランジスタM1と、所望の値にフローティング拡散領域の電位をセットし、電荷を排出してフローティング拡散領域をリセットさせるためのリセットトランジスタM2と、フローティング拡散領域の電圧がゲートに印加されてソースフォロアバッファ増幅器の役割を果たす増幅トランジスタM3と、スイッチングすることでアドレス指定の役割を果たす選択トランジスタM4である。   These four MOS transistors set the potential of the floating diffusion region to a desired value by setting the potential of the floating diffusion region to the transfer transistor M1 for transferring the photocharge collected by the photodetection unit D1 to the floating diffusion region. A reset transistor M2 for discharging and resetting the floating diffusion region, an amplifying transistor M3 that acts as a source follower buffer amplifier when the voltage of the floating diffusion region is applied to the gate, and functions as an address by switching This is the selection transistor M4.

上述した動作において、単位画素P11〜Pnmの中で、フォト検出部D1の電圧は、周囲の光の明るさに応じて決定される。例えば、明るい光を受けたフォト検出部D1は、低い電圧を生じ、一方、暗い光を受けたフォト検出部D1は、相対的に高い電圧を生じる。   In the above-described operation, among the unit pixels P11 to Pnm, the voltage of the photo detection unit D1 is determined according to the brightness of ambient light. For example, the photo detector D1 that receives bright light generates a low voltage, while the photo detector D1 that receives dark light generates a relatively high voltage.

このようにノードFD1の電圧は、選択された行の画素の増幅トランジスタM3と定電流回路252を構成する負荷トランジスタML1〜MLmとによってソースフォロア回路をなし、列信号線VL1〜VLmの各々の出力端子Vout1〜Voutmの出力電圧は、選択された行のノードFD1の電圧と負荷トランジスタML1〜MLmに流れる各電流Ibias1〜Ibiasmとによって決定される。   As described above, the voltage of the node FD1 forms a source follower circuit by the amplification transistor M3 of the pixel in the selected row and the load transistors ML1 to MLm constituting the constant current circuit 252, and outputs each of the column signal lines VL1 to VLm. The output voltages of the terminals Vout1 to Voutm are determined by the voltage of the node FD1 in the selected row and the currents Ibias1 to Ibiasm flowing through the load transistors ML1 to MLm.

(本発明の構成)
定電流回路252の1次側ミラートランジスタMFのゲート端子は基準バイアス電圧VbiasLを生成している。この1次側ミラートランジスタMFのゲート端子と各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子との間には、サンプルホールド回路250が挿入されており、スイッチ素子SW1と容量素子C1で構成されている。スイッチ素子SW1をオンにすれば、基準バイアス電圧VbiasLの電圧は、容量素子C1に供給される。逆に、スイッチ素子SW1をオフにすれば、各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子の電圧差は一定値にホールドされる。
(Configuration of the present invention)
The gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the constant current circuit 252 generates a reference bias voltage VbiasL. A sample and hold circuit 250 is inserted between the gate terminal of the primary side mirror transistor MF and the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm, and includes a switch element SW1 and a capacitive element C1. When the switch element SW1 is turned on, the reference bias voltage VbiasL is supplied to the capacitive element C1. On the contrary, if the switch element SW1 is turned off, the voltage difference between the gate terminal and the source terminal of each load transistor ML1 to MLm is held at a constant value.

また、このとき、容量素子C1がMOS型容量であれば、容量素子C1のドレイン端とソース端は金属配線層で覆って遮光し、これらPN接合部で発生する不要電荷を抑える必要がある。   At this time, if the capacitive element C1 is a MOS type capacitor, the drain end and the source end of the capacitive element C1 must be covered with a metal wiring layer to be shielded from light, and unnecessary charges generated at these PN junctions must be suppressed.

また、容量素子C1がMIM型容量であれば、容量素子C1の一方の電極を構成する金属配線層はGND電位として、各負荷トランジスタML1〜MLmのソース端子と接続すればよい。この構成によれば、拡散層を使用せず配線層で構成できるため、チップサイズの拡大を抑えることができる。   If the capacitor C1 is an MIM capacitor, the metal wiring layer constituting one electrode of the capacitor C1 may be connected to the source terminals of the load transistors ML1 to MLm as the GND potential. According to this configuration, since the diffusion layer is not used and the wiring layer can be used, an increase in chip size can be suppressed.

また、容量素子C1とC2は、それぞれトランジスタML1〜MLm、MC1〜MCmのゲート端子とバックゲート端子間の寄生容量を使用してもよい。   Capacitance elements C1 and C2 may use parasitic capacitances between the gate terminals and back gate terminals of transistors ML1 to MLm and MC1 to MCm, respectively.

(ランダム横線ノイズ)
横線ノイズには、いくつかの要因が考えられるが、その中の1つは、画面上でダークから低照度での被写体で水平方向にランダムに横線が現れる現象であり、ランダム横線ノイズとも呼ばれる。
(Random horizontal noise)
Several factors can be considered for the horizontal line noise. One of them is a phenomenon in which a horizontal line appears randomly in a horizontal direction in a subject having dark to low illuminance on the screen, and is also called random horizontal line noise.

この現象は、列並列出力型のイメージセンサ特有であり、特に、負荷トランジスタ(Loadトランジスタ)のゲート端子が全列接続された構成では、負荷トランジスタのゲート電圧に重畳したACノイズが、画素の増幅トランジスタの出力電圧として現れるために起こり、画面上に横線として現れる。   This phenomenon is peculiar to the column parallel output type image sensor. In particular, in the configuration in which the gate terminals of the load transistors (load transistors) are connected to all the columns, the AC noise superimposed on the gate voltage of the load transistors causes the pixel amplification. It occurs because it appears as the output voltage of the transistor, and appears as a horizontal line on the screen.

(高輝度ストリーキング)
また、横線ノイズの他の要因としては、画面上で明るい高輝度の被写体のある領域の水平方向に白っぽい帯が現れる現象であり、高輝度ストリーキングとも呼ばれる。
(High brightness streaking)
Another factor causing horizontal line noise is a phenomenon in which a whitish band appears in the horizontal direction in a region where a bright high-brightness object is present on the screen, which is also called high-brightness streaking.

この現象は、明るい被写体と同じ行にある画素の出力信号が、明るい被写体の影響により、その行の上方や下方の画素の出力信号よりも相対的に小さくなるために、明るい被写体の左右に白っぽい帯が発生するために起こり、画面上に横帯として現れる。高輝度ストリーキングの発生メカニズムは、高輝度の信号が入射したとき、該当する列の負荷トランジスタMLxのショートチャネル効果によって、高輝度が入射された列のバイアス電流Ibiasxが減少して、GNDラインの電圧降下が小さくなる。この結果、高輝度が入射されてない列のゲート端子とソース端子間の電圧差Vgsの電圧が大きくなり、全列のバイアス電流Ibias1〜Ibiasmは大きくなり、高輝度が入射されている画素を含む行では、白っぽい帯が発生する。   This phenomenon is because the output signal of the pixels in the same row as the bright subject is relatively smaller than the output signals of the pixels above and below the row due to the influence of the bright subject. Occurs because a band occurs, and appears as a horizontal band on the screen. The generation mechanism of the high-intensity streaking is that when a high-intensity signal is incident, the bias current Ibiasx of the column in which the high-intensity is incident is reduced due to the short channel effect of the load transistor MLx in the corresponding column, so that the voltage of the GND line The descent is reduced. As a result, the voltage difference Vgs between the gate terminal and the source terminal of the column where the high luminance is not incident increases, the bias currents Ibias1 to Ibiasm of all the columns increase, and the pixel including the high luminance is included. In the line, a whitish band occurs.

高輝度ストリーキングを低減するための従来技術およびその課題については、前述したとおりである。以下、本発明の第1の実施形態の技術によれば、従来技術の課題の1つである低消費電力化が達成され、さらにランダム横線ノイズの低減が可能になることを説明する。   The prior art for reducing high-intensity streaking and its problems are as described above. Hereinafter, it will be described that, according to the technique of the first embodiment of the present invention, low power consumption, which is one of the problems of the prior art, is achieved, and further, random horizontal line noise can be reduced.

(低消費電力化について)
本発明の第1の実施形態の構成により、基準バイアス電流Ibiasを正確にミラー比に応じて画素の増幅トランジスタに流すことができるので、従来回路のようにばらつきの最小値を考慮して、typ設定で過大電流を流す必要はなく、低消費電力を実現することができる。さらに、電流源251の電流Ibiasを電源電圧変動や温度変動の影響を受けにくくするために、バンドギャップレファレンス回路(BGR)と呼ばれる定電圧回路・定電流回路から作成することによって、さらに電流精度を高めることができる。
(About low power consumption)
With the configuration of the first embodiment of the present invention, the reference bias current Ibias can be made to flow to the amplification transistor of the pixel in accordance with the mirror ratio accurately, so that the minimum value of variation is taken into consideration as in the conventional circuit. It is not necessary to flow an excessive current in the setting, and low power consumption can be realized. Furthermore, in order to make the current Ibias of the current source 251 less susceptible to the influence of the power supply voltage fluctuation and the temperature fluctuation, the current accuracy is further improved by creating it from a constant voltage circuit / constant current circuit called a band gap reference circuit (BGR). Can be increased.

これによって、従来は、必要なバイアス電流Ibias1〜Ibiasmに対して、ばらつきの最小値を考慮して、typ設定では何倍もの過大電流を流す必要があったが、本方式によれば、電源電圧変動や温度変動の影響を受けないため、過大電流を流す必要はなくなる。   As a result, conventionally, it has been necessary to flow an excessive current many times at the typ setting in consideration of the minimum value of variation with respect to the required bias currents Ibias1 to Ibiasm. Since it is not affected by fluctuations and temperature fluctuations, it is not necessary to pass an excessive current.

このため、最近のカメラセットの小型化による放熱性の劣化に対して、従来技術は問題であり、本低消費電力化の技術は小型化に対して最適である。   For this reason, the prior art is a problem with respect to the deterioration of heat dissipation due to the recent downsizing of the camera set, and this low power consumption technique is optimal for downsizing.

(ランダム横線ノイズについて)
さらに、リセット成分を読み出すための第1の読み出し期間からデータ成分(=リセット成分+信号成分)を読み出すための第2の読み出し期間までのCDS期間中は、この各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子の電圧差は一定値にホールドされ、ノイズのDC成分はCDS回路でキャンセルされ、ランダム横線ノイズが発生することはない。ここで、前記第1の読み出し期間には、リセットトランジスタM2によるリセット動作が含まれ、前記第2の読み出し期間には、転送トランジスタM1による転送動作が含まれる。また、CDS期間がバイアスホールド期間の一例である。
(About random horizontal noise)
Further, during the CDS period from the first read period for reading the reset component to the second read period for reading the data component (= reset component + signal component), the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm The voltage difference between the source terminal and the source terminal is held at a constant value, and the DC component of noise is canceled by the CDS circuit, and random horizontal noise is not generated. Here, the first read period includes a reset operation by the reset transistor M2, and the second read period includes a transfer operation by the transfer transistor M1. The CDS period is an example of a bias hold period.

具体的な説明は以下の通りである。まず、画素信号が前記増幅トランジスタM3から列信号線VL1〜VLmに出力される前に(図2の時刻t10)、このスイッチ素子SW1によって、基準バイアスVbiasLの電圧は容量素子C1にサンプリングされる。このとき、基準バイアスVbiasLに重畳しているノイズ成分は、容量素子C1にDC成分として重畳され、CDS期間は(図2のTcds)はホールドされ続ける。   The specific explanation is as follows. First, before the pixel signal is output from the amplification transistor M3 to the column signal lines VL1 to VLm (time t10 in FIG. 2), the voltage of the reference bias VbiasL is sampled by the capacitive element C1 by the switch element SW1. At this time, the noise component superimposed on the reference bias VbiasL is superimposed on the capacitive element C1 as a DC component, and the CDS period (Tcds in FIG. 2) continues to be held.

このCDS期間内には、列信号線VL1〜VLmの画素信号のリセット成分V1とデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)がCDS回路に読み出され、信号成分のみが検出される。この結果、リセット成分とデータ成分の両方に含まれているノイズのDC成分はCDS回路によって完全にキャンセルされ、ノイズ除去効果を高めることができる。   Within this CDS period, the reset component V1 and the data component V2 (= reset component + signal component) of the pixel signals of the column signal lines VL1 to VLm are read out to the CDS circuit, and only the signal component is detected. As a result, the noise DC component contained in both the reset component and the data component is completely canceled by the CDS circuit, and the noise removal effect can be enhanced.

(高輝度ストリーキングについて)
また、高輝度が入射した際には、負荷トランジスタML1〜MLmのショートチャネル効果によるGNDラインの電圧効果の変動は発生するが、各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子の電圧差は一定に保たれるので、従来例と同様に高輝度ストリーキングが発生することはない。
(About high-intensity streaking)
Further, when high luminance is incident, the voltage effect of the GND line varies due to the short channel effect of the load transistors ML1 to MLm, but the voltage difference between the gate terminal and the source terminal of each load transistor ML1 to MLm is constant. Therefore, high-intensity streaking does not occur as in the conventional example.

以上のように、本発明の実施形態1に係る固体撮像装置では、新たに、電流源の1次側ミラートランジスタMFのゲート端子から負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子に至る間にサンプルホールド回路250を設けていることを特徴とする。これによって、低消費電力化、ランダム横線ノイズの対策、高輝度ストリーキングの対策を実施することができる。   As described above, in the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, the sample-and-hold circuit 250 is newly provided between the gate terminal of the primary side mirror transistor MF of the current source and the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm. It is characterized by providing. As a result, it is possible to reduce power consumption, take measures against random horizontal noise, and take measures against high luminance streaking.

(CDS方式によるノイズ低減効果)
また、回路ノイズに関しては、各トランジスタ素子や抵抗素子などの各デバイスからは、ホワイトノイズのサーマルノイズや周波数依存のある1/fノイズなどのデバイスノイズが発生している。ホワイトノイズに対する対策としては、ノイズ密度と信号通過帯域の積で決まるため、信号通過帯域を狭める手段が考えられる。一方、1/fノイズに対する対策としては、回路内のトランジスタのサイズを大きくすることやCDSのサンプリング周波数を狭くする手段が考えられる。
(Noise reduction effect by CDS method)
As for circuit noise, device noise such as thermal noise of white noise and 1 / f noise having frequency dependency is generated from each device such as each transistor element and resistor element. As a measure against white noise, since it is determined by the product of the noise density and the signal pass band, means for narrowing the signal pass band can be considered. On the other hand, as countermeasures against 1 / f noise, a means for increasing the size of a transistor in the circuit or a method for reducing the sampling frequency of the CDS can be considered.

まず、電流源251の電流Ibiasは、一般的に、電源電圧変動や温度変動の影響を受けにくくするために、バンドギャップレファレンス回路(BGR)と呼ばれる定電圧回路・定電流回路から作成している。このため、各トランジスタ素子や抵抗素子などからはデバイスノイズが発生している。   First, the current Ibias of the current source 251 is generally created from a constant voltage circuit / constant current circuit called a band gap reference circuit (BGR) in order to make it less susceptible to power supply voltage fluctuations and temperature fluctuations. . For this reason, device noise is generated from each transistor element and resistor element.

さらに、バンドギャップレファレンス回路(BGR)から電流源の1次側ミラートランジスタMFへの距離は、レイアウト的に離れていることが多く、このIbiasが流れる配線と他のディジタル信号の配線が併走もしくはクロスしていれば、Ibiasにはこれらのディジタルノイズが重畳してしまう。   Furthermore, the distance from the band gap reference circuit (BGR) to the primary side mirror transistor MF of the current source is often separated in terms of layout, and the wiring through which this Ibias flows and the wiring of other digital signals run side by side or cross. If so, these digital noises are superimposed on Ibias.

さらに、電流源の1次側ミラートランジスタMFのデバイスのサーマルノイズや1/fノイズなどのデバイスノイズも加算される。   Further, device noise such as thermal noise and 1 / f noise of the device of the primary side mirror transistor MF of the current source is also added.

この結果、電流源の1次側ミラートランジスタMFの電流Ibiasに重畳された電流ノイズや電流源の1次側ミラートランジスタMFのデバイスノイズは電流源の1次側ミラートランジスタMFのゲート電圧VbiasLに変換される。   As a result, the current noise superimposed on the current Ibias of the primary mirror transistor MF of the current source and the device noise of the primary mirror transistor MF of the current source are converted into the gate voltage VbiasL of the primary mirror transistor MF of the current source. Is done.

次に、本発明のサンプルホールド回路250がなければ、この負荷トランジスタML1〜MLmのゲート電圧に重畳された電圧ノイズは、電流Ibias1〜Ibias2に重畳する電流ノイズに変換され、そして、最終的には、選択された行の増幅トランジスタM3によって電圧ノイズに変換されて、列信号線VL1〜VLmの出力端子Vout1〜Voutmからの出力電圧に重畳する。   Next, without the sample and hold circuit 250 of the present invention, the voltage noise superimposed on the gate voltages of the load transistors ML1 to MLm is converted into current noise superimposed on the currents Ibias1 to Ibias2, and finally Then, it is converted into voltage noise by the amplification transistor M3 in the selected row and is superimposed on the output voltage from the output terminals Vout1 to Voutm of the column signal lines VL1 to VLm.

次に、CDS回路が、先に格納されたリセット成分V1と後に格納されたデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)との電圧差を利用し、単位画素P11〜Pnmの信号成分を算出する。   Next, the CDS circuit calculates the signal components of the unit pixels P11 to Pnm using the voltage difference between the previously stored reset component V1 and the later stored data component V2 (= reset component + signal component). .

このため、CDSの周波数(リセット成分V1とデータ成分V2を読み出す時間差)に比べて低い周波数の1/fノイズなどに関しては、リセット成分V1と後に格納されたデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)との電圧差がゼロになるためCDSによって除去できる。しかしながら、周波数の高いノイズ成分はCDSによって除去できずに、逆に、サーマルノイズは√2倍に悪化してしまい、全列に対してノイズが重畳してしまう。この結果、ランダム横線ノイズとして視覚的に見えやすいものとなってしまう。   For this reason, with respect to 1 / f noise having a frequency lower than the frequency of CDS (the time difference for reading the reset component V1 and the data component V2), the reset component V1 and the data component V2 stored later (= reset component + signal component) ) Is zero, and can be removed by CDS. However, a noise component having a high frequency cannot be removed by CDS, and conversely, thermal noise is deteriorated by √2 times, and noise is superimposed on all columns. As a result, it becomes easy to visually see as random horizontal line noise.

一方、本発明の実施形態1では、サンプルホールド回路250が追加されている。このとき、定電流回路252の1次側ミラートランジスタMFのゲート電圧の基準バイアス電圧VbiasLに重畳されたノイズにはDC〜AC成分が含まれているが、SW1がオフしてサンプリングした瞬間には、容量素子C1にDC成分として重畳され、CDS期間はホールドされ続ける。   On the other hand, in the first embodiment of the present invention, a sample hold circuit 250 is added. At this time, the noise superimposed on the reference bias voltage VbiasL of the gate voltage of the primary side mirror transistor MF of the constant current circuit 252 includes a DC to AC component, but at the moment when SW1 is turned off and sampled. Then, it is superimposed as a DC component on the capacitive element C1, and the CDS period continues to be held.

つまり、CDS期間中は、負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子間の電圧が一定値であるため、バイアス電流Ibias1〜Ibiasmは一定値となる。この結果、容量素子C1にノイズのDC成分が重畳されていれも、CDS回路がリセット成分V1とデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)の電圧差を算出するために、ノイズのDC成分は完全にキャンセルされる。   That is, during the CDS period, since the voltage between the gate terminal and the source terminal of the load transistors ML1 to MLm is a constant value, the bias currents Ibias1 to Ibiasm are constant values. As a result, even if the noise DC component is superimposed on the capacitive element C1, the CDS circuit calculates the voltage difference between the reset component V1 and the data component V2 (= reset component + signal component). Canceled completely.

(タイミングチャートの説明)
本発明の実施の形態では、図2に示すタイミングチャートで各信号が制御される。
(Explanation of timing chart)
In the embodiment of the present invention, each signal is controlled by the timing chart shown in FIG.

まず、タイミングジェネレータ1の出力信号であるリセット制御信号TRES1〜n、トランスファ制御信号TTX1〜n、セレクト制御信号TSEL1〜nは、行走査回路2によってそれぞれリセットトランジスタM2、転送トランジスタM1、選択トランジスタM4を駆動するのに最適な電圧に変換される。次に、それぞれ、リセット制御信号VRES1〜n、トランスファ制御信号VTX1〜n、セレクト制御信号VSEL1〜nとなり、垂直走査しながら行ごとに順次、列信号線VL1〜VLmに読み出されていく。   First, reset control signals TRES1 to n, transfer control signals TTX1 to n and select control signals TSEL1 to n, which are output signals of the timing generator 1, are supplied to the reset transistor M2, the transfer transistor M1, and the selection transistor M4 by the row scanning circuit 2, respectively. The voltage is converted to an optimum voltage for driving. Next, the reset control signals VRES1 to n, transfer control signals VTX1 to n, and select control signals VSEL1 to n are read out sequentially to the column signal lines VL1 to VLm for each row while performing vertical scanning.

また、新たに、タイミングジェネレータ1から出力されるサンプルホールド選択信号SH1を設けている。ここで、タイミングジェネレータ1は、近年では、固体撮像装置と1チップ化されることが多いため、サンプルホールド選択信号SH1の追加や制御は容易に実現することができる。   In addition, a sample hold selection signal SH1 output from the timing generator 1 is newly provided. Here, since the timing generator 1 is often integrated into one chip with the solid-state imaging device in recent years, the addition and control of the sample hold selection signal SH1 can be easily realized.

この動作を説明すれば、まず、時刻t10で、セレクト制御信号VSEL1がHighレベルとなり単位画素P11〜P1mの選択トランジスタM4をオンさせ1行目が選択される。   To describe this operation, first, at time t10, the select control signal VSEL1 becomes High level, and the selection transistor M4 of the unit pixels P11 to P1m is turned on to select the first row.

また、サンプルホールド選択信号SH1は、時刻t10で、タイミングジェネレータ1からLowレベルを出力して、サンプルホールド回路250を構成するスイッチ素子SW1はオフして、この瞬間の基準バイアス電圧VbiasLの電圧を容量素子C1にサンプリングする。   The sample hold selection signal SH1 outputs a low level from the timing generator 1 at time t10, the switch element SW1 constituting the sample hold circuit 250 is turned off, and the voltage of the reference bias voltage VbiasL at this moment is stored in the capacitor. Sampling to element C1.

ここで、セレクト制御信号VSEL1とサンプルホールド選択信号SH1は同期していてもしていなくても構わないが、タイミングジェネレータ1の回路構成としては同期している方が回路素子数を削減することができ好ましい。   Here, the select control signal VSEL1 and the sample hold selection signal SH1 may or may not be synchronized, but the circuit configuration of the timing generator 1 can reduce the number of circuit elements if they are synchronized. preferable.

次に、トランスファ制御信号VTX1がLowレベルで転送トランジスタM1がオフされた状態で、時刻t11で、リセット制御信号VRES1がHighレベルとなりリセットトランジスタM2をオンさせ、各単位画素P11〜P1mのフローティング拡散ノードFD1の電圧をリセットする。   Next, in a state where the transfer control signal VTX1 is Low level and the transfer transistor M1 is turned off, at time t11, the reset control signal VRES1 becomes High level to turn on the reset transistor M2, and the floating diffusion nodes of the unit pixels P11 to P1m are turned on. Reset the voltage of FD1.

次に、フローティング拡散ノードFD1の電圧がリセットされた状態で、時刻t12で、リセット制御信号VRES1がLowレベルとなりリセットトランジスタM2をオフする。   Next, in a state where the voltage of the floating diffusion node FD1 is reset, at time t12, the reset control signal VRES1 becomes a low level, and the reset transistor M2 is turned off.

次に、各単位画素P11〜P1mのフローティング拡散ノードFD1の電圧が、増幅トランジスタM3によって増幅され、時刻t12から時刻t13の期間中に、列信号線VL1〜VLmを介して出力端子Vou1〜VoutmよりCDS回路に読み出されリセット成分V1として格納する。   Next, the voltage of the floating diffusion node FD1 of each of the unit pixels P11 to P1m is amplified by the amplification transistor M3, and is output from the output terminals Vou1 to Voutm via the column signal lines VL1 to VLm during the period from time t12 to time t13. It is read by the CDS circuit and stored as the reset component V1.

しばらくした後に、時刻t13で、トランスファ制御信号VTX1がHighレベルとなり転送トランジスタM1をオンさせ、フォト検出部D1に蓄積された全ての光電荷は、フローティング拡散ノードFD1に伝達される。その後、時刻t14で、トランスファ制御信号VTX1がLowレベルとなり転送トランジスタM1をオフする。   After a while, at time t13, the transfer control signal VTX1 becomes a high level to turn on the transfer transistor M1, and all the photocharges accumulated in the photo detection unit D1 are transmitted to the floating diffusion node FD1. Thereafter, at time t14, the transfer control signal VTX1 becomes Low level, and the transfer transistor M1 is turned off.

そして、フローティング拡散ノードFD1の電圧が、増幅トランジスタM3によって増幅され、時刻t14から時刻t15の期間中に、列信号線VL1〜VLmを介して出力端子Vou1〜VoutmよりCDS回路に読み出され、データ成分V2(=リセット成分+信号成分)として格納される。その後、十分に安定した後(時刻t15)に、サンプルホールド選択信号SH1は再びHighレベルとなり、基準バイアス電圧VbiasLの電圧は容量素子C1に充電されはじめる。   Then, the voltage of the floating diffusion node FD1 is amplified by the amplification transistor M3, and is read from the output terminals Vou1 to Voutm to the CDS circuit via the column signal lines VL1 to VLm during the period from the time t14 to the time t15. Stored as component V2 (= reset component + signal component). Thereafter, after sufficiently stabilizing (time t15), the sample hold selection signal SH1 again becomes a high level, and the voltage of the reference bias voltage VbiasL starts to be charged in the capacitive element C1.

次に、CDS回路が、先に格納されたリセット成分V1と後に格納されたデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)との電圧差を利用し、各画素P11〜P1mから出力される純粋な光に対する信号成分を算出する。リセット成分V1とデータ成分V2には、基準バイアス電圧VbiasLをサンプリングした瞬間のノイズのDC成分を含んでいるが、完全にキャンセルされて、ランダム横線ノイズはゼロとなる。   Next, the CDS circuit uses the voltage difference between the previously stored reset component V1 and the later stored data component V2 (= reset component + signal component) to generate a pure signal output from each pixel P11 to P1m. A signal component for light is calculated. The reset component V1 and the data component V2 include the DC component of the noise at the moment when the reference bias voltage VbiasL is sampled, but are completely canceled and the random horizontal noise becomes zero.

次に、2行目が選択されると同様にして、2行目の信号が列信号線VL1〜VLmを介して出力端子Vout1〜Voutmとして読み出される。3行目以降も同様である。   Next, when the second row is selected, the signals of the second row are read out as output terminals Vout1 to Voutm via the column signal lines VL1 to VLm. The same applies to the third and subsequent lines.

(まとめ)
以上説明したように、本発明の実施形態1に係る固体撮像装置では、新たに、前記電流源の1次側ミラートランジスタMFのゲート端子と各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子との間にサンプルホールド回路250が挿入される。このサンプルホールド回路250を構成するスイッチ素子SW1は、カレントミラーの基準バイアス電流を生成する電流源の1次側ミラートランジスタMFにおいて生成された基準バイアス電圧VbiasLを、時刻t10の瞬間に、ノイズを含んだDC成分として容量素子C1にサンプリングして、CDSの期間中(Tcds)にホールドする役目を果たす。
(Summary)
As described above, in the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, a sample is newly added between the gate terminal of the primary-side mirror transistor MF of the current source and the gate terminals of the load transistors ML1 to MLm. A hold circuit 250 is inserted. The switch element SW1 constituting the sample and hold circuit 250 includes the reference bias voltage VbiasL generated in the primary side mirror transistor MF of the current source that generates the reference bias current of the current mirror, at the instant of time t10, including noise. It functions as a DC component, which is sampled in the capacitive element C1 and held during the CDS period (Tcds).

以上の構成により、基準バイアス電流Ibiasを正確にミラー比に応じて画素に流すことができる。このため、ばらつきの最小値を考慮して、typ設定で過大電流を流す必要はなく、低消費電力化を実現することができる。   With the above configuration, the reference bias current Ibias can be accurately supplied to the pixel according to the mirror ratio. For this reason, it is not necessary to flow an excessive current at the typ setting in consideration of the minimum variation, and low power consumption can be realized.

さらに、CDSの期間中は、この各負荷トランジスタML1〜MLmのゲート端子とソース端子の電圧差は一定に保たれるので、前記したランダム横線ノイズが発生することはない。また、同様に高輝度ストリーキングが発生することもない。   Further, during the CDS period, the voltage difference between the gate terminal and the source terminal of each of the load transistors ML1 to MLm is kept constant, so that the random horizontal noise described above does not occur. Similarly, high luminance streaking does not occur.

なお、容量素子C1にバイアス電圧をホールドするCDS期間は、1H(1水平走査期間)として説明したが、1V(1垂直走査期間)としてもよい。   Note that although the CDS period in which the bias voltage is held in the capacitor C1 is described as 1H (one horizontal scanning period), it may be 1V (one vertical scanning period).

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態を、図3を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、本発明の第2の実施形態に係る、撮像装置、固体撮像装置の装置構成は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る撮像装置、固体撮像装置に基づいている。   First, the device configuration of the imaging device and the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention is based on the imaging device and the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.

また、本発明の第2の実施形態に係るタイミングチャートは、図2に示した本発明の第1の実施形態に係るタイミングチャートと同じである。   The timing chart according to the second embodiment of the present invention is the same as the timing chart according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.

本発明の実施形態2に係る固体撮像装置では、第1の実施形態に係る撮像装置に、カスコード回路263が追加されている。   In the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, a cascode circuit 263 is added to the imaging device according to the first embodiment.

このカスコード回路263は、列信号線VL1〜VLmに接続されたカスコードトランジスタMC1〜MCm、および、このバイアス電圧VbiasCを供給するバイアス回路VBIASから構成されている。カスコードトランジスタMC1〜MCmは、列毎に設けられ、負荷トランジスタML1〜MLmと出力端子Vout1〜Voutmの間に接続されている。   The cascode circuit 263 includes cascode transistors MC1 to MCm connected to the column signal lines VL1 to VLm, and a bias circuit VBIAS that supplies the bias voltage VbiasC. The cascode transistors MC1 to MCm are provided for each column, and are connected between the load transistors ML1 to MLm and the output terminals Vout1 to Voutm.

まず、前述したように、選択された行の画素の増幅トランジスタM3は、定電流回路252を構成する負荷トランジスタML1〜MLmとによってソースフォロア構造をなし、列信号線VL1〜VLmの各々の出力端子Vout1〜Voutmの電圧は、選択された行のノードFD1の電圧と負荷トランジスタML1〜MLmに流れる各電流Ibias1〜Ibiasmとによって決定される。   First, as described above, the amplification transistor M3 of the pixel in the selected row has a source follower structure with the load transistors ML1 to MLm constituting the constant current circuit 252, and each output terminal of the column signal lines VL1 to VLm. The voltages Vout1 to Voutm are determined by the voltage of the node FD1 of the selected row and the currents Ibias1 to Ibiasm flowing through the load transistors ML1 to MLm.

つまり、出力端子Vout1〜Voutmの電圧は、周囲の光の明るさに応じて決定される。例えば、明るい光を受けたフォト検出部は、低い電圧を生じ、一方、暗い光を受けたフォト検出部は、相対的に高い電圧を生じる。   That is, the voltages of the output terminals Vout1 to Voutm are determined according to the brightness of ambient light. For example, a photo detector that receives bright light generates a low voltage, while a photo detector that receives dark light generates a relatively high voltage.

第1の実施形態で懸念されることは、従来技術の課題の一つであるフォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化の問題が解決されないことであり、この問題が第2の実施形態において解決されることを説明する。以下の説明では、xは列番号を表しx=1〜mとする。   What is concerned about the first embodiment is that the problem of deterioration of the linearity of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detector D1, which is one of the problems of the prior art, is not solved. Now, it will be described that this problem is solved in the second embodiment. In the following description, x represents a column number and x = 1 to m.

まず、図1において、負荷トランジスタMLxのゲート端子とソース端子間の容量素子はC1である。また、負荷トランジスタMLxのドレイン端子に接続された列信号線VLxと負荷トランジスタMLxのゲート端子との間の寄生容量をCgd1とする。   First, in FIG. 1, the capacitive element between the gate terminal and the source terminal of the load transistor MLx is C1. Further, a parasitic capacitance between the column signal line VLx connected to the drain terminal of the load transistor MLx and the gate terminal of the load transistor MLx is Cgd1.

このとき、出力端子Voutxの電圧変動量ΔVoutxが、負荷トランジスタMLxのドレイン電圧の変動量ΔVd1xと等しく、ゲート電圧の変動量ΔVg1xは、(式1)によって容量分割によって算出できる。   At this time, the voltage fluctuation amount ΔVoutx at the output terminal Voutx is equal to the drain voltage fluctuation amount ΔVd1x of the load transistor MLx, and the gate voltage fluctuation amount ΔVg1x can be calculated by capacitance division according to (Equation 1).

ΔVg1x=ΔVd1x・Cgd1/(Cgd1+C1) (式1)   ΔVg1x = ΔVd1x · Cgd1 / (Cgd1 + C1) (Formula 1)

また、このとき、バイアス電流Ibiasxは、負荷トランジスタMLxの相互コンダクタンスをGmlとすれば(式2)で表すことができ、まとめると(式3)となる。仮にGmlが大きくなる構成であれば、このΔVg1xによって、電流Ibiasxに影響を及ぼすおそれがある。   At this time, the bias current Ibiasx can be expressed by (Expression 2) when the mutual conductance of the load transistor MLx is Gml, and is collectively expressed by (Expression 3). If Gml increases, ΔVg1x may affect current Ibiasx.

つまり、列信号線VLxの出力端子Voutxからリセット成分V1を読み出すときと、データ成分V2(=リセット成分+信号成分)を読み出すときのバイアス電流値の変化ΔIbiasxは、(式3)で表すことができる。   That is, the change ΔIbiasx in the bias current value when the reset component V1 is read from the output terminal Voutx of the column signal line VLx and when the data component V2 (= reset component + signal component) is read can be expressed by (Expression 3). it can.

ΔIbiasx=ΔVg1x・Gml (式2)   ΔIbiasx = ΔVg1x · Gml (Formula 2)

ΔIbiasx=ΔVg1x・Gml
=(ΔVd1x・Cgd1/(Cgd1+C1))・Gml (式3)
ΔIbiasx = ΔVg1x · Gml
= (ΔVd1x · Cgd1 / (Cgd1 + C1)) · Gml (Formula 3)

したがって、負荷トランジスタMLxの相互コンダクタンスGmlが大きい場合、もしくは、レイアウト構成として寄生容量Cgd1が大きい場合、もしくは、容量素子C1が小さいときには、フォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化という課題が発生する。   Therefore, when the mutual conductance Gml of the load transistor MLx is large, or when the parasitic capacitance Cgd1 is large as the layout configuration, or when the capacitive element C1 is small, the output of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photodetection unit D1 The problem of voltage linearity degradation occurs.

特に、この寄生容量Cgd1は、拡散工程で管理されていないため、列ごとの相対ばらつきを有しており、列ごとにリニアリティが異なってしてしまう。   In particular, since the parasitic capacitance Cgd1 is not managed in the diffusion process, the parasitic capacitance Cgd1 has a relative variation for each column, and the linearity is different for each column.

このため、第2の実施形態としては、上記課題を解決するものであり、新たにカスコードトランジスタMC1〜MCmを列毎に設け、負荷トランジスタML1〜MLmと出力端子Vout1〜Voutmの間に接続している。   For this reason, the second embodiment solves the above-described problem, and newly provides cascode transistors MC1 to MCm for each column and connects them between the load transistors ML1 to MLm and the output terminals Vout1 to Voutm. Yes.

このカスコードの構成においては、リセット成分V1とデータ成分V2(=リセット成分+信号成分)の読み出しの際、出力端子Vout1〜Voutmに電圧変動があっても、負荷トランジスタML1〜MLmのドレイン電圧の変動量ΔVd1〜ΔVdmはゼロになる。このため、(式3)より、ΔIbiasxはゼロとなり、リニアリティ劣化や列ごとのリニアリティの相対ばらつきの課題は解決することができる。   In this cascode configuration, when the reset component V1 and the data component V2 (= reset component + signal component) are read, even if there are voltage fluctuations at the output terminals Vout1 to Voutm, fluctuations in the drain voltages of the load transistors ML1 to MLm. The quantities ΔVd1 to ΔVdm become zero. Therefore, from (Equation 3), ΔIbiasx becomes zero, and the problems of linearity degradation and relative variation in linearity for each column can be solved.

(まとめ)
以上の通り、カスコード回路263では、カスコードトランジスタMC1〜MCmは、列毎に設けられ、負荷トランジスタML1〜MLmと出力端子Vout1〜Voutmの間に接続されている。これによって、低消費電力化の実現、および、フォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化や列ごとのリニアリティの相対ばらつきの課題は解決することができる。
(Summary)
As described above, in the cascode circuit 263, the cascode transistors MC1 to MCm are provided for each column and are connected between the load transistors ML1 to MLm and the output terminals Vout1 to Voutm. As a result, it is possible to reduce the power consumption, and to solve the problems of the degradation of the linearity of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detector D1 and the relative variation of the linearity of each column.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態を、図4を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、本発明の第3の実施形態に係る、撮像装置、固体撮像装置の装置構成は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る撮像装置、固体撮像装置に基づいている。   First, the device configuration of the imaging device and the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention is based on the imaging device and the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.

また、本発明の第3の実施形態に係るタイミングチャートは、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るタイミングチャートと同じである。   The timing chart according to the third embodiment of the present invention is the same as the timing chart according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.

本発明の実施形態3に係る固体撮像装置では、第1の実施形態に係る撮像装置に、サンプルホールド回路260を有するカスコード回路262が追加されている。   In the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, a cascode circuit 262 having a sample hold circuit 260 is added to the imaging device according to the first embodiment.

このカスコード回路262は、列信号線VL1〜VLmに接続されたカスコードトランジスタMC1〜MC2、及び、このバイアス電圧VbiasCを供給するバイアス回路VBIASから構成されている。カスコードトランジスタMC1〜MCmは、列毎に設けられ、負荷トランジスタML1〜MLmと出力端子Vout1〜Voutmの間に接続されている。   The cascode circuit 262 includes cascode transistors MC1 to MC2 connected to the column signal lines VL1 to VLm, and a bias circuit VBIAS that supplies the bias voltage VbiasC. The cascode transistors MC1 to MCm are provided for each column, and are connected between the load transistors ML1 to MLm and the output terminals Vout1 to Voutm.

ここで、カスコード回路262では、カスコードのバイアス電圧VbiasCを供給するバイアス回路VBIASと各負荷トランジスタMC1〜MC2のゲート端子との間のサンプルホールド回路260が挿入される。このサンプルホールド回路260を構成するスイッチ素子SW2は、バイアス電圧VbiasCを容量素子C2にサンプルホールドする役目を果たす。   Here, in the cascode circuit 262, a sample hold circuit 260 is inserted between the bias circuit VBIAS that supplies the cascode bias voltage VbiasC and the gate terminals of the load transistors MC1 to MC2. The switch element SW2 constituting the sample hold circuit 260 serves to sample and hold the bias voltage VbiasC in the capacitive element C2.

また、このとき、容量素子C1およびC2がMOS型容量であれば、容量素子C1およびC2のそれぞれのドレイン端とソース端は金属配線層で覆って遮光し、これらPN接合部で発生する不要電荷を抑える必要がある。   At this time, if the capacitive elements C1 and C2 are MOS type capacitors, the drain ends and the source ends of the capacitive elements C1 and C2 are covered with a metal wiring layer to be shielded from light, and unnecessary charges generated at these PN junctions It is necessary to suppress.

また、容量素子C1およびC2がMIM型容量であれば、容量素子C1およびC2のそれぞれが有する2つの電極のうちの一方の電極を構成する金属配線層はGND電位として、各負荷トランジスタML1〜MLmのソース端子と接続すればよい。この構成によれば、拡散層を使用せず配線層で構成できるため、チップサイズの拡大を抑えることができる。   If the capacitive elements C1 and C2 are MIM type capacitors, the metal wiring layer constituting one of the two electrodes of each of the capacitive elements C1 and C2 has a GND potential, and each load transistor ML1 to MLm It may be connected to the source terminal of According to this configuration, since the diffusion layer is not used and the wiring layer can be used, an increase in chip size can be suppressed.

第2の実施形態で懸念されることとしては、トランジスタサイズによっては、わずかに、ランダム横線ノイズが劣化することであり、この問題が第3の実施形態において解決されることを説明する。以下の説明では、xは列番号を表しx=1〜mとする。   What is concerned about the second embodiment is that the random horizontal noise is slightly deteriorated depending on the transistor size, and this problem will be explained in the third embodiment. In the following description, x represents a column number and x = 1 to m.

まず、図3において、負荷トランジスタML1〜MLmのドレインーソース間の抵抗をRlとする。また、カスコードトランジスタMC1〜MCmのソース出力抵抗はRc(=1/Gmc)とする。GmcはカスコードトランジスタMC1〜MCmの相互コンダクタンスである。また、画素の増幅トランジスタM3のソース出力抵抗をRa(=1/Gma)とする。Gmaは画素の増幅トランジスタM3の相互コンダクタンスである。また、カスコードトランジスタMC1〜MCmのバイアス電圧VbiasCに重畳するノイズ成分をΔVbiasCとする。   First, in FIG. 3, the resistance between the drain and source of the load transistors ML1 to MLm is R1. The source output resistances of the cascode transistors MC1 to MCm are Rc (= 1 / Gmc). Gmc is the mutual conductance of the cascode transistors MC1 to MCm. Further, the source output resistance of the amplifying transistor M3 of the pixel is assumed to be Ra (= 1 / Gma). Gma is the mutual conductance of the amplification transistor M3 of the pixel. Further, a noise component superimposed on the bias voltage VbiasC of the cascode transistors MC1 to MCm is assumed to be ΔVbiasC.

このとき、増幅トランジスタM3のソース出力端子Voutxに発生する電圧ノイズΔVoutxは(式4)で算出できる。   At this time, the voltage noise ΔVoutx generated at the source output terminal Voutx of the amplification transistor M3 can be calculated by (Equation 4).

ΔVOUTx=ΔVbiasC・Ra/(Rc+Rl) (式4)   ΔVOUTx = ΔVbiasC · Ra / (Rc + Rl) (Formula 4)

このように、カスコードトランジスタMC1〜MCmのバイアス電圧VbiasCが全列接続されていれば、ノイズ成分は全列共通に同時に発生してしまい、トランジスタサイズによっては、わずかであるがランダム横線ノイズとなる可能性がある。なぜならば、前記の通り、CDS回路によって、このノイズ成分の中で低周波成分は除去できるが、高周波成分は除去できないためである。   As described above, if the bias voltages VbiasC of the cascode transistors MC1 to MCm are connected to all the columns, noise components are generated at the same time in common to all the columns. There is sex. This is because, as described above, the CDS circuit can remove the low frequency component from the noise component but cannot remove the high frequency component.

第3の実施形態としては、上記課題を解決するものであり、新たにカスコードトランジスタMC1〜MCmのバイアス電圧VbiasCを供給するバイアス回路VBIASと各カスコードトランジスタMC1〜MCmのゲート端子との間には、サンプルホールド回路260を設けている。   As a third embodiment, the above problem is solved, and a bias circuit VBIAS that newly supplies a bias voltage VbiasC of the cascode transistors MC1 to MCm and a gate terminal of each of the cascode transistors MC1 to MCm, A sample hold circuit 260 is provided.

これによって、第1の実施形態での負荷トランジスタML1〜MLmでのサンプルホールド回路250と同様にランダム横線ノイズは除去することができる。   As a result, the random horizontal noise can be removed in the same manner as the sample hold circuit 250 with the load transistors ML1 to MLm in the first embodiment.

なぜならば、CDSの期間は、各カスコードトランジスタMC1〜MCmのゲート端子は接続されておらず独立であるため、バイアス電圧VbiasCをサンプリングした瞬間(時刻t10)のノイズはDC成分となり容量素子C2にホールドされ、CDS回路によってキャンセルされるからである。   This is because during the CDS period, the gate terminals of the cascode transistors MC1 to MCm are not connected and are independent, so that the noise at the moment (time t10) when the bias voltage VbiasC is sampled becomes a DC component and is held in the capacitive element C2. This is because it is canceled by the CDS circuit.

さらに、この際には、第2の実施形態で対策したフォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティへの影響を検討する必要があり、これについて説明する。   Furthermore, in this case, it is necessary to examine the influence on the linearity of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detection unit D1 taken as a countermeasure in the second embodiment, which will be described.

まず、図4において、カスコードトランジスタMC1〜MCmのゲート端子と負荷トランジスタML1〜MLmのソース端子間の容量素子はC2である。次に、カスコードトランジスタMC1〜MCmのドレインに接続された列信号線VL1〜VLmとカスコードトランジスタMC1〜MCmのゲートとの間の寄生容量Cgd2とする。   First, in FIG. 4, the capacitive element between the gate terminals of the cascode transistors MC1 to MCm and the source terminals of the load transistors ML1 to MLm is C2. Next, the parasitic capacitance Cgd2 between the column signal lines VL1 to VLm connected to the drains of the cascode transistors MC1 to MCm and the gates of the cascode transistors MC1 to MCm is set.

このとき、出力端子Voutxの電圧変動量ΔVoutxが、カスコードトランジスタMCxのドレイン電圧の変動量ΔVd2xと等しく、ゲート電圧の変動量ΔVg2xは、容量分割によって、(式5)によって算出できる。   At this time, the voltage fluctuation amount ΔVoutx of the output terminal Voutx is equal to the drain voltage fluctuation amount ΔVd2x of the cascode transistor MCx, and the gate voltage fluctuation amount ΔVg2x can be calculated by (Equation 5) by capacitance division.

ΔVg2x=ΔVd2x・Cgd2/(Cgd2+C2) (式5)   ΔVg2x = ΔVd2x · Cgd2 / (Cgd2 + C2) (Formula 5)

また、このとき、カスコードトランジスタMCxのゲート電圧の変動量が、負荷トランジスタMLxのドレイン電圧の変動量と等しくなるので、負荷トランジスタMLxのドレイン電圧の変動量ΔVd1xは(式6)で表すことができる。   At this time, the amount of fluctuation of the gate voltage of the cascode transistor MCx becomes equal to the amount of fluctuation of the drain voltage of the load transistor MLx, and therefore, the amount of fluctuation ΔVd1x of the drain voltage of the load transistor MLx can be expressed by (Equation 6). .

ΔVd1x=ΔVg2x
=ΔVd2x・Cgd2/(Cgd2+C2) (式6)
ΔVd1x = ΔVg2x
= ΔVd2x · Cgd2 / (Cgd2 + C2) (Formula 6)

このとき、輝度レベルに対するバイアス電流の変動量ΔIbiasは、(式3)と(式6)を使って、(式7)で算出することができる。   At this time, the fluctuation amount ΔIbias of the bias current with respect to the luminance level can be calculated by (Expression 7) using (Expression 3) and (Expression 6).

ΔIbiasx=ΔVg1x・Gml
=(ΔVd1x・Cgd1/(Cgd1+C1))・Gml
=ΔVd2x・(Cgd2/(Cgd2+C2))・
(Cgd1/(Cgd1+C1))・Gml (式7)
ΔIbiasx = ΔVg1x · Gml
= (ΔVd1x · Cgd1 / (Cgd1 + C1)) · Gml
= ΔVd2x · (Cgd2 / (Cgd2 + C2)) ·
(Cgd1 / (Cgd1 + C1)) · Gml (Formula 7)

このとき、(式7)より、容量分割値(Cgd2/(Cgd2+C2))と(Cgd1/(Cgd1+C1))の積は非常に小さくなり、ΔIbiasxはほぼゼロとなる。この結果、フォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化の課題は解決することができる。   At this time, from (Equation 7), the product of the capacity division value (Cgd2 / (Cgd2 + C2)) and (Cgd1 / (Cgd1 + C1)) becomes very small, and ΔIbiasx becomes almost zero. As a result, the problem of degradation of the linearity of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detection unit D1 can be solved.

(まとめ)
以上の通り、カスコード回路262では、カスコードのバイアス電圧VbiasCを供給するバイアス回路VBIASと各負荷トランジスタMC1〜MCmのゲート端子との間のサンプルホールド回路260を挿入している。これによって、低消費電力化の実現、および、フォト検出部D1で検出された輝度レベルに対する増幅トランジスタM3の出力電圧のリニアリティの劣化や列ごとのリニアリティの相対ばらつきの改善、さらに、ランダム横線ノイズ、高輝度ストリーキングという課題を解決することができる。
(Summary)
As described above, in the cascode circuit 262, the sample hold circuit 260 is inserted between the bias circuit VBIAS that supplies the cascode bias voltage VbiasC and the gate terminals of the load transistors MC1 to MCm. As a result, low power consumption is achieved, linearity deterioration of the output voltage of the amplification transistor M3 with respect to the luminance level detected by the photo detector D1, improvement in relative variation in linearity for each column, random horizontal noise, The problem of high brightness streaking can be solved.

(補充)
本発明は、CMOS固体撮像装置などの、読み出し回路を備えた全ての固体撮像装置に適用され得る。
(Replenishment)
The present invention can be applied to all solid-state imaging devices including a readout circuit, such as a CMOS solid-state imaging device.

なお、上記実施の形態の個体撮像装置には、本発明の範囲内において、例えば次のような変形が可能である。実施の形態においては、それぞれのPDに対しFD、リセットトランジスタ、転送トランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタが一つずつ存在するが、複数のPDおよび転送トランジスタが、FD、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタ等を共有するような構成であってもよい。   Note that the individual imaging device of the above embodiment can be modified as follows, for example, within the scope of the present invention. In the embodiment, there is one FD, one reset transistor, one transfer transistor, one amplification transistor, and one selection transistor for each PD. Etc. may be shared.

また、CDS回路は、リセット成分とデータ成分のアナログ信号を相関二重検出するアナログ型CDS方式であっても、AD変換手段によってディジタル変換されたリセット成分とデータ成分のディジタル信号を相関二重検出するディジタル型CDS方式であってもよい。   In addition, the CDS circuit detects the reset component and the data component of the digital signal by the AD conversion means even if the analog CDS method detects the reset component and the data component of the analog signal by the correlated double detection. It may be a digital CDS system.

また、容量素子C1とC2にホールドするCDS期間は、1H(1水平走査期間)として説明したが、1V(1垂直走査期間)としてもよい。   Further, the CDS period held in the capacitive elements C1 and C2 has been described as 1H (one horizontal scanning period), but may be 1V (one vertical scanning period).

また、容量素子C1とC2は、それぞれトランジスタML1〜MLm、MC1〜MCmのゲート端子とバックゲート端子間の寄生容量を使用してもよい。   Capacitance elements C1 and C2 may use parasitic capacitances between the gate terminals and back gate terminals of transistors ML1 to MLm and MC1 to MCm, respectively.

また、容量素子C1とC2は、MOS型の容量素子であっても、MIM型の容量素子であっても、配線間の寄生容量素子を使用してもよい。   The capacitive elements C1 and C2 may be MOS type capacitive elements, MIM type capacitive elements, or parasitic capacitive elements between wirings.

また、本発明は表面照射型に限定されるものではなく、図5に示すようにフォト検出部BD1は基板表面側に形成され、光学レンズから入射された光が基板表面側で受光される裏面照射型の固体撮像装置を使用してもよい。   In addition, the present invention is not limited to the front-illuminated type, and as shown in FIG. 5, the photodetecting portion BD1 is formed on the substrate surface side, and the back surface where the light incident from the optical lens is received on the substrate surface side. An irradiation type solid-state imaging device may be used.

このような変形に係る個体撮像装置は、全て本発明に含まれる。   All the individual imaging devices according to such modifications are included in the present invention.

さらにまた、本発明に係る固体撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。たとえば、本発明に係る固体撮像装置を内蔵するカメラも本発明に含まれる。   Furthermore, the solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the above embodiment. Other embodiments realized by combining arbitrary constituent elements in the above-described embodiments, various modifications that can be conceived by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention, Various devices incorporating the solid-state imaging device according to the present invention are also included in the present invention. For example, a camera incorporating the solid-state imaging device according to the present invention is also included in the present invention.

以上説明したように、本発明は、横線ノイズの改善を、素子数が非常に少ない簡単な構成によって実現することができ、例えば、CMOS固体撮像装置、ディジタルスチルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ等に適用できる。   As described above, the present invention can improve the horizontal line noise with a simple configuration having a very small number of elements, such as a CMOS solid-state imaging device, a digital still camera, a movie camera, and a camera-equipped mobile phone. It can be applied to surveillance cameras.

1 タイミングジェネレータ
2 行走査回路
200 画素アレイ
240 サンプルホールド回路
242 定電流回路
250 サンプルホールド回路
252 定電流回路
260 サンプルホールド回路
262 カスコード回路
263 カスコード回路
VL1〜VLm 列信号線
P11〜Pnm 単位画素
D1 フォト検出部
BD1 基板表面側のフォト検出部
FD1 フローティング拡散ノード
M1 転送トランジスタ
M2 リセットトランジスタ
M3 増幅トランジスタ
M4 選択トランジスタ
MF 電流源の1次側ミラートランジスタ
ML1〜MLm 負荷トランジスタ
MC1〜MCm カスコードトランジスタ
SW1、SW2 スイッチ素子
C1、C2 容量素子
VRES1〜VRESn リセット制御信号
VSEL1〜VSELn セレクト制御信号
VTX1〜VTXn トランスファ制御信号
TRES1〜TRESn リセット制御信号
TSEL1〜TSELn セレクト制御信号
TTX1〜TTXn トランスファ制御信号
SH1 サンプルホールド選択信号
VBIAS バイアス回路
1 Timing Generator 2 Row Scan Circuit 200 Pixel Array 240 Sample Hold Circuit 242 Constant Current Circuit 250 Sample Hold Circuit 252 Constant Current Circuit 260 Sample Hold Circuit 262 Cascode Circuit 263 Cascode Circuits VL1 to VLm Column Signal Lines P11 to Pnm Unit Pixel D1 Photo Detection Part BD1 Photodetection part FD1 on the substrate surface side Floating diffusion node M1 Transfer transistor M2 Reset transistor M3 Amplification transistor M4 Selection transistor MF Current source primary side mirror transistors ML1 to MLm Load transistors MC1 to MCm Cascode transistors SW1 and SW2 Switch element C1 , C2 capacitive elements VRES1 to VRESn reset control signals VSEL1 to VSELn select control signals VTX1 to VTXn Nsufa control signal TRES1~TRESn reset control signal TSEL1~TSELn select control signal TTX1~TTXn transfer control signal SH1 sample hold selection signal VBIAS bias circuit

Claims (9)

行列状に配置された複数の単位画素を有し行単位に選択される単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置であって、
前記複数の単位画素のそれぞれに含まれ、画素信号を出力する増幅トランジスタと、
増幅された信号が読み出される列信号線と、
列毎に設けられ、選択された行に属する増幅トランジスタにバイアス電流を供給する第1のトランジスタと、
ドレイン端子とゲート端子とがショートされ、ソース端子と前記ドレイン端子間に供給される一定の基準バイアス電流により、前記ゲート端子に第1の基準バイアス電圧を発生する第2のトランジスタと、
前記第2のトランジスタの前記ゲート端子から、各前記第1のトランジスタのゲート端子に、前記第1の基準バイアス電圧を伝達することにより、前記基準バイアス電流に対して前記バイアス電流をミラー化するための第1のバイアス信号線と、
前記第2のトランジスタの前記ゲート端子と各第1のトランジスタの前記ゲート端子との間の前記第1のバイアス信号線に挿入された第1のサンプルホールド回路と
を備える固体撮像装置。
A solid-state imaging device that reads a pixel signal from a unit pixel that has a plurality of unit pixels arranged in a matrix and is selected in units of rows,
An amplification transistor that is included in each of the plurality of unit pixels and outputs a pixel signal;
A column signal line from which the amplified signal is read; and
A first transistor provided for each column and supplying a bias current to an amplification transistor belonging to a selected row;
A second transistor that has a drain terminal and a gate terminal short-circuited and generates a first reference bias voltage at the gate terminal by a constant reference bias current supplied between the source terminal and the drain terminal;
To mirror the bias current with respect to the reference bias current by transmitting the first reference bias voltage from the gate terminal of the second transistor to the gate terminal of each first transistor. A first bias signal line of
A solid-state imaging device comprising: a first sample-and-hold circuit inserted in the first bias signal line between the gate terminal of the second transistor and the gate terminal of each first transistor.
前記第1のサンプルホールド回路は、
前記第2のトランジスタの前記ゲート端子と各第1トランジスタの前記ゲート端子との間の前記第1のバイアス信号線に挿入された第1のスイッチ素子と、
前記第1のトランジスタの前記ゲート端子とソース端子とに接続された第1の容量素子と
を備える請求項1に記載の固体撮像装置。
The first sample and hold circuit includes:
A first switch element inserted in the first bias signal line between the gate terminal of the second transistor and the gate terminal of each first transistor;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a first capacitive element connected to the gate terminal and the source terminal of the first transistor.
前記単位画素のそれぞれは、
光を信号電荷に変化するフォトダイオードと、
信号電荷をホールドする浮遊拡散層と、
前記浮遊拡散層の信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、
前記フォトダイオードから浮遊拡散層に信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記浮遊拡散層にホールドされた信号電荷に応じた前記画素信号を出力する前記増幅トランジスタと
を備え、
前記第1のスイッチ素子は、前記リセットトランジスタによるリセット動作を含む第1の読み出し期間から前記転送トランジスタによる転送動作を含む第2の読み出し期間までのバイアスホールド期間中はオフであり、
前記バイアスホールド期間の完了時にオンになる
請求項2に記載の固体撮像装置。
Each of the unit pixels is
A photodiode that converts light into signal charge;
A floating diffusion layer for holding signal charges;
A reset transistor for resetting the signal charge of the floating diffusion layer;
A transfer transistor for transferring signal charges from the photodiode to the floating diffusion layer;
The amplification transistor that outputs the pixel signal according to the signal charge held in the floating diffusion layer, and
The first switch element is off during a bias hold period from a first readout period including a reset operation by the reset transistor to a second readout period including a transfer operation by the transfer transistor,
The solid-state imaging device according to claim 2, which is turned on when the bias hold period is completed.
列毎に設けられ、選択された行に属する前記増幅トランジスタにバイアス電流を供給する前記第1のトランジスタのドレイン端子の電圧を一定にする第3のトランジスタを備え、
前記第3のトランジスタのソース端子が前記第1のトランジスタのドレイン端子に接続され、前記第3のトランジスタのドレイン端子が前記列信号線に接続され、前記第3のトランジスタのゲート端子が第2のバイアス信号線を介して接続されたバイアス回路から第2の基準バイアス電圧を印加される
請求項1に記載の固体撮像装置。
A third transistor provided for each column and configured to make a voltage at a drain terminal of the first transistor supplying a bias current to the amplification transistor belonging to a selected row constant;
A source terminal of the third transistor is connected to a drain terminal of the first transistor, a drain terminal of the third transistor is connected to the column signal line, and a gate terminal of the third transistor is a second terminal. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second reference bias voltage is applied from a bias circuit connected via a bias signal line.
前記バイアス回路と各前記第3のトランジスタの前記ゲート端子との間の前記第2のバイアス信号線に挿入された第2のサンプルホールド回路とを備える
請求項4に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 4, further comprising: a second sample hold circuit inserted in the second bias signal line between the bias circuit and the gate terminal of each of the third transistors.
前記第2のサンプルホールド回路は、
前記バイアス回路と各前記第3トランジスタの前記ゲート端子との間の前記第2のバイアス信号線に挿入された第2のスイッチ素子と、
前記第3のトランジスタの前記ゲート端子と前記第1のトランジスタ側のソース端子とに接続された第2の容量素子と
を備える請求項5に記載の固体撮像装置。
The second sample and hold circuit includes:
A second switch element inserted in the second bias signal line between the bias circuit and the gate terminal of each third transistor;
The solid-state imaging device according to claim 5, further comprising: a second capacitor element connected to the gate terminal of the third transistor and a source terminal on the first transistor side.
前記第2のスイッチ素子は、前記リセットトランジスタによるリセット動作を含む第1の読み出し期間から前記転送トランジスタによる転送動作を含む第2の読み出し期間までのバイアスホールド期間中はオフであり、
前記バイアスホールド期間の完了時にオンになる
請求項6に記載の固体撮像装置。
The second switch element is off during a bias hold period from a first read period including a reset operation by the reset transistor to a second read period including a transfer operation by the transfer transistor,
The solid-state imaging device according to claim 6, which is turned on when the bias hold period is completed.
前記第1の容量素子と前記第2の容量素子はMOS型容量であり、
前記第1の容量素子の第1のドレイン端と第1のソース端の上層には第1の金属配線層を備え、
前記第2の容量素子の第2のドレイン端と第2のソース端の上層には前記第1の金属配線層を備え、
前記第1のドレイン端、前記第1のソース端、前記第2のドレイン端、前記第2のソース端は前記第1の金属配線層で遮光されることを特徴とする
請求項2または6に記載の固体撮像装置。
The first capacitor element and the second capacitor element are MOS type capacitors,
A first metal wiring layer is provided above the first drain end and the first source end of the first capacitive element,
The first capacitor wiring layer includes the first metal wiring layer above the second drain end and the second source end,
The first drain end, the first source end, the second drain end, and the second source end are shielded from light by the first metal wiring layer. The solid-state imaging device described.
前記第1の容量素子と前記第2の容量素子はMIM型容量であり、
前記第1の容量素子の一方の電極を構成する第2の金属配線層はGND電位であり、前記第2の容量素子の一方の電極を構成する第2の金属配線層はGND電位であることを特徴とする
請求項2または6に記載の固体撮像装置。
The first capacitor element and the second capacitor element are MIM type capacitors,
The second metal wiring layer constituting one electrode of the first capacitor element has a GND potential, and the second metal wiring layer constituting one electrode of the second capacitor element has a GND potential. The solid-state imaging device according to claim 2 or 6.
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US10701295B2 (en) 2017-10-16 2020-06-30 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device including output signal line and load transistor and camera system

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