JP2012156967A - Solid-state image pickup element and driving method of solid-state image pickup element - Google Patents

Solid-state image pickup element and driving method of solid-state image pickup element Download PDF

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隆善 山田
Takahiko Murata
隆彦 村田
Takehisa Kato
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image pickup element capable of realizing a circuit (storage section) with a small area for holding an electrical signal from a pixel, and further to provide a driving method of the solid-state image pickup element.SOLUTION: A solid-state image pickup element 100 comprises: a plurality of pixels 1a; a column signal line 21; and a first storage section 2a that is disposed on each column signal line 21 and stores an electrical signal transmitted from the plurality of pixels 1a of a corresponding column. The first storage section 2a comprises: a first transistor 31, of which a gate is connected to a row selection line 40, one of a source and a drain is connected to an input signal line 21 and the other one of the source and the drain is connected to a storage node; and a second transistor 32, of which a gate is connected to the storage node, one of a source and a drain is connected to a row power source line 41 and the other one of the source and the drain is connected to an output signal line 34.

Description

本発明は、デジタルカメラなどに組み込まれたCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型のエリアイメージセンサである固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device which is a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type area image sensor incorporated in a digital camera or the like, and a driving method of the solid-state imaging device.

近年、CMOS型イメージセンサでグローバルシャッター動作を実現するため、特許文献1のような技術が提案されている。   In recent years, a technique such as Patent Document 1 has been proposed in order to realize a global shutter operation with a CMOS image sensor.

図15は、従来の固体撮像素子1200の構成を示すブロック図である。図15に示すように、固体撮像素子1200は、光信号を電気信号に変換する画素セル1201と、画素セル1201を2次元状に配列した画素部1202と、画素部1202の垂直方向(行)を選択する垂直走査部1203と、選択行からの画素信号のノイズを抑制するノイズ抑圧部1231と、ノイズ抑圧部1231の出力信号を蓄積するメモリセル1221を2次元状に配列したメモリ部1222と、メモリ部1222の垂直方向(メモリ行)を選択するメモリ用垂直走査部1223と、選択されたメモリ行の信号を選択する水平選択部1205と、水平選択部1205を水平方向に順次選択する水平走査部1206と、出力アンプ1212とから構成されている。   FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a conventional solid-state imaging device 1200. As illustrated in FIG. 15, the solid-state imaging device 1200 includes a pixel cell 1201 that converts an optical signal into an electric signal, a pixel unit 1202 in which the pixel cells 1201 are arranged in a two-dimensional manner, and a vertical direction (row) of the pixel unit 1202. A vertical scanning unit 1203 for selecting a pixel, a noise suppressing unit 1231 for suppressing noise of a pixel signal from the selected row, and a memory unit 1222 in which memory cells 1221 for accumulating output signals of the noise suppressing unit 1231 are arranged in a two-dimensional manner, The memory vertical scanning unit 1223 for selecting the vertical direction (memory row) of the memory unit 1222, the horizontal selection unit 1205 for selecting the signal of the selected memory row, and the horizontal for sequentially selecting the horizontal selection unit 1205 in the horizontal direction The scanning unit 1206 includes an output amplifier 1212.

図16は、図15に示すノイズ抑圧部1231とメモリ部1222の構成を示す回路図である。メモリ部1222に設けられたメモリセル1221は、ノイズ抑圧部1231の出力信号を蓄積するメモリ容量C31と、メモリ容量C31へ出力信号を書き込むためのメモリ書き込みトランジスタM31と、メモリ容量C31に蓄積された信号を増幅するメモリ用アンプA31と、メモリ用アンプA31の出力を読み出すメモリ読み出しトランジスタM32とから構成されている。   FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of noise suppression unit 1231 and memory unit 1222 shown in FIG. The memory cell 1221 provided in the memory unit 1222 includes a memory capacitor C31 that stores the output signal of the noise suppression unit 1231, a memory write transistor M31 that writes an output signal to the memory capacitor C31, and a memory capacitor C31. The memory amplifier A31 amplifies the signal and the memory read transistor M32 that reads the output of the memory amplifier A31.

特開2008−072188号公報JP 2008-072188 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、それぞれのメモリセルでメモリ容量とメモリ用アンプ(増幅用のトランジスタ)とを独立に備える構成となっており、メモリセルの回路面積が増大する。この回路面積の増大に伴い、画素セルにおける受光部の開口度の低下が問題となる。   However, the technique disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which each memory cell includes a memory capacity and a memory amplifier (amplifying transistor) independently, which increases the circuit area of the memory cell. As the circuit area increases, a decrease in the aperture of the light receiving portion in the pixel cell becomes a problem.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、画素からの信号を保持するための回路(記憶部)を小面積で実現することができる固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can realize a circuit (storage unit) for holding a signal from a pixel with a small area and a driving method of the solid-state image sensor. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、行列状に配置され、受光量に応じた電気信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素の列毎に設けられた列信号線と、前記列信号線毎に設けられ、対応する列の前記複数の画素から前記列信号線を通して転送された電気信号を記憶する第1記憶部とを備え、前記第1記憶部は、ゲートが行を選択するための制御信号が与えられる行選択線に接続され、ソースまたはドレインの一方が対応する列の前記列信号線に接続され、他方が電気信号を記憶するための記憶ノードに接続された第1トランジスタと、ゲートが前記記憶ノードに接続され、ソースまたはドレインの一方が選択された行に電源電圧を供給するための行電源線に接続され、他方が出力信号線に接続された第2トランジスタとを備える。   In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of pixels arranged in a matrix and outputting an electrical signal corresponding to the amount of received light, and a column signal provided for each column of the plurality of pixels. And a first storage unit that is provided for each column signal line and stores an electrical signal transferred from the plurality of pixels in the corresponding column through the column signal line, the first storage unit including a gate Is connected to a row selection line to which a control signal for selecting a row is applied, one of a source or a drain is connected to the column signal line of the corresponding column, and the other is connected to a storage node for storing an electrical signal The first transistor and the gate connected to the storage node, one of the source and the drain connected to a row power supply line for supplying a power supply voltage to the selected row, and the other connected to the output signal line Second transistor Equipped with a.

このような構成とすることによって、一画素の情報(電気信号)を記録するのに必要な第1記憶部を、2つのトランジスタのみで構成することができる。これにより、画素の情報(電気信号)を記憶する第1記憶部を小面積で実現することができる。   With such a configuration, the first storage unit necessary for recording information (electric signal) of one pixel can be configured with only two transistors. Thereby, the 1st memory | storage part which memorize | stores the information (electric signal) of a pixel is realizable with a small area.

また、前記行電源線にはパルス電源電圧が印加され、前記パルス電源電圧が印加された行の前記第2トランジスタの前記記憶ノードから、記憶された電気信号が前記出力信号線に出力されるとしてもよい。   In addition, a pulse power supply voltage is applied to the row power supply line, and a stored electrical signal is output to the output signal line from the storage node of the second transistor in the row to which the pulse power supply voltage is applied. Also good.

このような構成とすることによって、行選択のためのトランジスタを設けることなく、複数の第1記憶部の中から選択した行の第1記憶部から記憶の読み出しをすることができる。これにより、画素の情報(電気信号)を記憶する第1記憶部を小面積で実現することができる。   With such a configuration, it is possible to read the memory from the first memory portion of the row selected from the plurality of first memory portions without providing a transistor for row selection. Thereby, the 1st memory | storage part which memorize | stores the information (electric signal) of a pixel is realizable with a small area.

また、前記固体撮像素子は、さらに、前記出力信号線毎に設けられ、対応する列の前記列信号線を通して転送された電気信号とリセット信号との電圧の差分を出力する第1差分回路を備えるとしてもよい。   The solid-state imaging device further includes a first difference circuit that is provided for each of the output signal lines and outputs a voltage difference between an electric signal transferred through the column signal line of a corresponding column and a reset signal. It is good.

このような構成とすることによって、記憶ノードに記憶された電気信号にノイズが含まれていても、ノイズの影響が除去された電気信号を得ることができる。   With such a configuration, even if the electrical signal stored in the storage node includes noise, an electrical signal from which the influence of noise has been removed can be obtained.

また、前記第1差分回路は、前記記憶ノードに画素信号が保持されたときとリセット信号が保持されたときの前記記憶ノードの電圧差により生じる前記第2トランジスタのソース−ドレイン電流の差を読み取るとしてもよい。   The first difference circuit reads the difference between the source and drain currents of the second transistor caused by the voltage difference of the storage node when the pixel signal is held in the storage node and when the reset signal is held. It is good.

また、前記第1差分回路は、前記ソース−ドレイン電流が前記出力信号線へ充放電されるときに前記出力信号線に生じる電圧変化を、前記ソース−ドレイン電流の差として読み取るとしてもよい。   The first differential circuit may read a voltage change generated in the output signal line when the source-drain current is charged and discharged to the output signal line as a difference between the source-drain currents.

また、前記固体撮像素子は、前記第1記憶部を、前記複数の画素の数と同数備えているとしてもよい。   Further, the solid-state imaging device may include the same number of the first storage units as the number of the plurality of pixels.

このような構成とすることによって、画素ごとに電気信号を記憶することができる。   With such a configuration, an electrical signal can be stored for each pixel.

また、前記固体撮像素子は、前記第1記憶部を、前記複数の画素の数の倍数備えているとしてもよい。   The solid-state imaging device may include the first storage unit as a multiple of the number of the plurality of pixels.

このような構成とすることによって、画素ごとに電気信号およびリセット信号を記憶することができる。   With such a configuration, an electrical signal and a reset signal can be stored for each pixel.

また、前記出力信号線には、負荷トランジスタが接続され、前記第2トランジスタと前記負荷トランジスタとで、ソースフォロワ回路が構成されるとしてもよい。   Further, a load transistor may be connected to the output signal line, and a source follower circuit may be configured by the second transistor and the load transistor.

また、前記出力信号線には、負荷トランジスタが接続され、前記第2トランジスタと前記負荷トランジスタとで、インバータ回路が構成されるとしてもよい。   Further, a load transistor may be connected to the output signal line, and the second transistor and the load transistor may constitute an inverter circuit.

このような構成とすることによって、記憶された電気信号を減少させることなく読み出すことができる。   With such a configuration, the stored electrical signal can be read without being reduced.

また、前記固体撮像素子は、さらに、列毎に設けられ、前記第1差分回路のそれぞれに接続され、対応する列の前記第1差分回路から転送された電気信号とリセット信号との差分を記憶する第2記憶部を備えるとしてもよい。   The solid-state imaging device is further provided for each column, connected to each of the first difference circuits, and stores a difference between the electrical signal transferred from the first difference circuit in the corresponding column and the reset signal. A second storage unit may be provided.

また、前記固体撮像素子は、さらに、列毎に設けられ、前記第2記憶部のそれぞれに接続された第2差分回路を備えるとしてもよい。   The solid-state imaging device may further include a second difference circuit that is provided for each column and connected to each of the second storage units.

このような構成とすることによって、記憶された電気信号を順次効率よく読み出すことができる。   With such a configuration, stored electrical signals can be sequentially and efficiently read out.

また、上記従来技術の課題を解決するために、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、記憶部の記憶ノードから記憶された電気信号を読み出すときに、行を選択するための制御信号が与えられる行電源線にパルス電源電圧が印加され、前記パルス電源電圧が印加された行の前記記憶部の前記記憶ノードから、記憶された電気信号が出力信号線に出力される。   In addition, in order to solve the above-described problems of the prior art, the solid-state imaging device driving method of the present invention provides a control signal for selecting a row when reading an electrical signal stored from a storage node of a storage unit. A pulse power supply voltage is applied to the row power supply line, and the stored electrical signal is output to the output signal line from the storage node of the storage unit in the row to which the pulse power supply voltage is applied.

このような駆動方法とすることによって、行選択のためのトランジスタを設けることなく、複数の第1記憶部の中から選択した行の第1記憶部から記憶の読み出しをすることができる。これにより、画素の情報(電気信号)を記憶する第1記憶部を小面積で実現することができる。   With such a driving method, it is possible to read the memory from the first memory portion of the row selected from the plurality of first memory portions without providing a transistor for row selection. Thereby, the 1st memory | storage part which memorize | stores the information (electric signal) of a pixel is realizable with a small area.

本発明によれば、画素からの電気信号を保持するための回路(記憶部)を小面積で実現することができる固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device that can realize a circuit (storage unit) for holding an electrical signal from a pixel with a small area.

本発明の実施の形態1に係る固体撮像素子の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示した固体撮像素子の1列2行分の画素回路部の構成の一例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of a pixel circuit portion for one column and two rows of the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1. 図1に示した固体撮像素子における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the time change of the main signal in the solid-state image sensor shown in FIG. 図1に示した固体撮像素子における保持回路部および差分回路部の構成の一例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of a holding circuit unit and a difference circuit unit in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1. 図1に示した固体撮像素子における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the time change of the main signal in the solid-state image sensor shown in FIG. 図1に示した固体撮像素子における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the time change of the main signal in the solid-state image sensor shown in FIG. 本発明の実施の形態2に係る固体撮像素子の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る画素回路の1列2行分の回路図である。It is a circuit diagram for 1 column 2 rows of the pixel circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第1保持回路の1列2行分の回路図および差分回路の回路図である。6 is a circuit diagram of a first holding circuit according to Embodiment 2 of the present invention for one column and two rows, and a circuit diagram of a differential circuit. FIG. 本発明の実施の形態2に係る第2保持回路の1列1行分の回路図である。It is a circuit diagram for 1 column 1 line of the 2nd holding | maintenance circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第2保持回路の1列1行分の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification for 1 column 1 line of the 2nd holding | maintenance circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第2保持回路の1列1行分の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification for 1 column 1 line of the 2nd holding | maintenance circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第2保持回路の1列1行分の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification for 1 column 1 line of the 2nd holding | maintenance circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 複数の光電変換素子によりFDを共有する画素回路部の構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of the pixel circuit part which shares FD with several photoelectric conversion elements. 複数の光電変換素子によりFDを共有する画素回路部の構成の一例を示す回路である。It is a circuit which shows an example of a structure of the pixel circuit part which shares FD with several photoelectric conversion elements. 従来の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional solid-state image sensor. 図15に示した固体撮像素子のノイズ抑圧部とメモリ部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the noise suppression part of the solid-state image sensor shown in FIG. 15, and a memory part.

以下、本発明に係る固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。   Hereinafter, embodiments of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although this invention is demonstrated using the following embodiment and attached drawing, this is for the purpose of illustration and this invention is not intended to be limited to these.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係る固体撮像素子100の構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device 100 according to the present embodiment.

図1に示すように、固体撮像素子100は、画素回路部1と、保持回路部2と、差分回路部3と、出力線4と、水平走査回路5と、垂直走査回路6とを備える。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 100 includes a pixel circuit unit 1, a holding circuit unit 2, a difference circuit unit 3, an output line 4, a horizontal scanning circuit 5, and a vertical scanning circuit 6.

画素回路部1は、単位画素である画素回路1aを行列状に複数有する。保持回路部2は、単位保持回路である保持回路2aを行列状に複数有する。画素回路部1と保持回路部2は、列信号線21により、列毎に接続されている。また、差分回路部3は、単位差分回路である差分回路3aを行列状に複数有する。保持回路部2と差分回路部3は、読み出し列信号線34により、列毎に接続されている。   The pixel circuit unit 1 includes a plurality of pixel circuits 1a that are unit pixels in a matrix. The holding circuit unit 2 includes a plurality of holding circuits 2a that are unit holding circuits in a matrix. The pixel circuit unit 1 and the holding circuit unit 2 are connected to each other by a column signal line 21. The difference circuit unit 3 includes a plurality of difference circuits 3a, which are unit difference circuits, in a matrix. The holding circuit unit 2 and the difference circuit unit 3 are connected to each other by a read column signal line 34.

画素回路部1からは、基準出力と信号出力が出力される。基準出力とは、画素回路部1に光が照射されていない場合に画素回路部1から出力される電気信号、つまり、初期状態の電気信号(リセット信号)をいう。また、信号出力とは、画素回路部1に光が照射された場合に画素回路部1の受光量に応じて画素回路部1から出力される電気信号をいう。   A reference output and a signal output are output from the pixel circuit unit 1. The reference output refers to an electrical signal output from the pixel circuit unit 1 when the pixel circuit unit 1 is not irradiated with light, that is, an electrical signal (reset signal) in an initial state. The signal output refers to an electrical signal output from the pixel circuit unit 1 according to the amount of light received by the pixel circuit unit 1 when the pixel circuit unit 1 is irradiated with light.

保持回路部2は、画素回路部1から出力された基準出力と信号出力を保持する。保持回路部2の単位保持回路である保持回路2aは、画素回路部1の単位画素である画素回路1aの2倍の数設けられている。詳細には、1つの画素回路1aに対し、2つの保持回路2aが設けられている。そして、各保持回路2aに、基準出力と信号出力とがそれぞれ保持される。   The holding circuit unit 2 holds the reference output and the signal output output from the pixel circuit unit 1. The holding circuits 2 a that are unit holding circuits of the holding circuit unit 2 are provided twice as many as the pixel circuits 1 a that are unit pixels of the pixel circuit unit 1. Specifically, two holding circuits 2a are provided for one pixel circuit 1a. Each holding circuit 2a holds the reference output and the signal output.

差分回路部3は、保持回路部2に保持されている基準出力と信号出力の差分である差分出力信号を検出する。差分回路部3の単位差分回路である差分回路3aは、列毎に1つずつ設けられている。差分回路3aにより保持回路部2に保持されている基準出力と信号出力との差分が検出され、差分回路3aから出力された差分出力信号は、水平走査回路5の出力信号に同期して、出力線4に出力される。   The difference circuit unit 3 detects a difference output signal that is a difference between the reference output held in the holding circuit unit 2 and the signal output. The difference circuit 3a which is a unit difference circuit of the difference circuit unit 3 is provided for each column. A difference between the reference output held in the holding circuit unit 2 and the signal output is detected by the difference circuit 3a, and the difference output signal output from the difference circuit 3a is output in synchronization with the output signal of the horizontal scanning circuit 5. Output to line 4.

垂直走査回路6は、画素回路部1、保持回路部2から列信号線21、読み出し列信号線34に信号を読み出すためのパルス信号を印加する。   The vertical scanning circuit 6 applies a pulse signal for reading signals from the pixel circuit unit 1 and the holding circuit unit 2 to the column signal line 21 and the readout column signal line 34.

図2は、画素回路部1の1列2行分の画素の構成の一例を示す回路図である。図2中の破線は、画素回路部1を構成する単位画素である画素回路1a、1bを示している。   FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of pixels for one column and two rows of the pixel circuit unit 1. The broken lines in FIG. 2 indicate pixel circuits 1 a and 1 b that are unit pixels constituting the pixel circuit unit 1.

画素回路1aは、フォトダイオード10と、転送MOSトランジスタ11と、リセットMOSトランジスタ12と、出力MOSトランジスタ13とで構成される。画素回路1bは、画素回路1aと同様に、フォトダイオード15と、転送MOSトランジスタ16と、リセットMOSトランジスタ17と、出力MOSトランジスタ18とで構成される。   The pixel circuit 1a includes a photodiode 10, a transfer MOS transistor 11, a reset MOS transistor 12, and an output MOS transistor 13. Similar to the pixel circuit 1a, the pixel circuit 1b includes a photodiode 15, a transfer MOS transistor 16, a reset MOS transistor 17, and an output MOS transistor 18.

画素回路1aにおいて、フォトダイオード10は、受光した光信号を電気信号に変換し、受光量に応じた電気信号を生成する。フォトダイオード10のアノードは接地され、カソードは転送MOSトランジスタ11のドレインに接続される。転送MOSトランジスタ11のソースは、リセットMOSトランジスタ12のソースと出力MOSトランジスタ13のゲートに接続され、ゲートは端子23に接続される。転送MOSトランジスタ11のソースからリセットMOSトランジスタ12のソース、出力MOSトランジスタ13のゲートまでの領域は、フローティングディフュージョン(以後FDと呼ぶ)と呼ばれる拡散容量を形成する。リセットMOSトランジスタ12のドレインは電源に接続され、ゲートは端子22に接続される。出力MOSトランジスタ13のドレインは電源に接続され、ソースは行選択MOSトランジスタ14のドレインに接続される。電流源20は、列信号線21に接続される。行選択MOSトランジスタ14のゲートは端子24に接続され、導通しているときは出力MOSトランジスタ13と電流源20とでソースフォロワが形成される。   In the pixel circuit 1a, the photodiode 10 converts the received optical signal into an electrical signal, and generates an electrical signal corresponding to the amount of received light. The anode of the photodiode 10 is grounded, and the cathode is connected to the drain of the transfer MOS transistor 11. The source of the transfer MOS transistor 11 is connected to the source of the reset MOS transistor 12 and the gate of the output MOS transistor 13, and the gate is connected to the terminal 23. A region from the source of the transfer MOS transistor 11 to the source of the reset MOS transistor 12 and the gate of the output MOS transistor 13 forms a diffusion capacitance called floating diffusion (hereinafter referred to as FD). The drain of the reset MOS transistor 12 is connected to the power supply, and the gate is connected to the terminal 22. The drain of the output MOS transistor 13 is connected to the power supply, and the source is connected to the drain of the row selection MOS transistor 14. The current source 20 is connected to the column signal line 21. The gate of the row selection MOS transistor 14 is connected to the terminal 24, and when it is conductive, the output MOS transistor 13 and the current source 20 form a source follower.

画素回路1bにおいても、フォトダイオード15は、受光した光信号を電気信号に変換し、受光量に応じた電気信号を生成する。フォトダイオード15のアノードは接地され、カソードは転送MOSトランジスタ16のドレインに接続される。転送MOSトランジスタ16のソースは、リセットMOSトランジスタ17のソースと出力MOSトランジスタ18のゲートに接続され、ゲートは端子25に接続される。転送MOSトランジスタ16のソースからリセットMOSトランジスタ17のソース、出力MOSトランジスタ18のゲートまでの領域は、FDと呼ばれる拡散容量を形成する。リセットMOSトランジスタ17のドレインは電源に接続され、ゲートは端子25に接続される。出力MOSトランジスタ18のドレインは電源に接続され、ソースは行選択MOSトランジスタ19のドレインに接続される。行選択MOSトランジスタ19のゲートは端子27に接続され、導通しているときは出力MOSトランジスタ18と電流源20とでソースフォロワが形成される。   Also in the pixel circuit 1b, the photodiode 15 converts the received optical signal into an electrical signal, and generates an electrical signal corresponding to the amount of received light. The anode of the photodiode 15 is grounded, and the cathode is connected to the drain of the transfer MOS transistor 16. The source of the transfer MOS transistor 16 is connected to the source of the reset MOS transistor 17 and the gate of the output MOS transistor 18, and the gate is connected to the terminal 25. A region from the source of the transfer MOS transistor 16 to the source of the reset MOS transistor 17 and the gate of the output MOS transistor 18 forms a diffusion capacitor called FD. The drain of the reset MOS transistor 17 is connected to the power supply, and the gate is connected to the terminal 25. The drain of the output MOS transistor 18 is connected to the power supply, and the source is connected to the drain of the row selection MOS transistor 19. The gate of the row selection MOS transistor 19 is connected to the terminal 27, and when it is conductive, the output MOS transistor 18 and the current source 20 form a source follower.

また、画素回路1a、1bの出力は、行選択MOSトランジスタ14、行選択MOSトランジスタ19を介していずれも列信号線21に接続される。列信号線21は、図1の保持回路部2に接続され、画素回路1a、1bからの出力信号が保持回路部2に入力される。   The outputs of the pixel circuits 1a and 1b are both connected to the column signal line 21 via the row selection MOS transistor 14 and the row selection MOS transistor 19. The column signal line 21 is connected to the holding circuit unit 2 in FIG. 1, and output signals from the pixel circuits 1 a and 1 b are input to the holding circuit unit 2.

図3は、本実施の形態に係る固体撮像素子100における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。   FIG. 3 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment.

図3には、垂直走査回路6から図2中の各端子22、23、24に印加される制御信号が示されている。制御信号は、印加される端子の符号にSを付した名称で表わされている。   FIG. 3 shows control signals applied from the vertical scanning circuit 6 to the terminals 22, 23 and 24 in FIG. The control signal is represented by a name with S added to the sign of the applied terminal.

つまり、信号S22は、端子22に印加されるリセットMOSトランジスタ12のゲートに入力される信号である。信号S23は、端子23に印加される転送MOSトランジスタ11のゲートに入力される信号である。信号S24は、端子24に印加される行選択MOSトランジスタ14のゲートに入力される信号である。また、信号SVは、列信号線21に出力される出力信号を示す。なお、各端子25、26、27に印加される制御信号も各端子22、23、24に印加される制御信号と同様であるので詳細な説明は省略する。   That is, the signal S22 is a signal input to the gate of the reset MOS transistor 12 applied to the terminal 22. The signal S23 is a signal input to the gate of the transfer MOS transistor 11 applied to the terminal 23. The signal S24 is a signal input to the gate of the row selection MOS transistor 14 applied to the terminal 24. A signal SV represents an output signal output to the column signal line 21. The control signals applied to the terminals 25, 26, and 27 are the same as the control signals applied to the terminals 22, 23, and 24, and thus detailed description thereof is omitted.

次に、本実施の形態に係る固体撮像素子100の画素回路部1の動作について、図2、図3を参照しながら説明する。   Next, the operation of the pixel circuit unit 1 of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図3中の時点t1において、信号S22は“HIGH”となり、垂直走査回路6は、画素回路1aのリセットMOSトランジスタ12のゲートに“HIGH”レベルのパルス信号を与えてリセットMOSトランジスタ12を導通させ、画素回路1aのFDを電源に接続して初期状態とする。時点t2において、信号S22は“LOW”となり、MOSトランジスタ12は非導通となる。これにより、画素回路1aは初期(リセット)状態となる。   At time t1 in FIG. 3, the signal S22 becomes “HIGH”, and the vertical scanning circuit 6 applies a “HIGH” level pulse signal to the gate of the reset MOS transistor 12 of the pixel circuit 1a to make the reset MOS transistor 12 conductive. Then, the FD of the pixel circuit 1a is connected to a power source to obtain an initial state. At time t2, the signal S22 becomes “LOW”, and the MOS transistor 12 becomes non-conductive. As a result, the pixel circuit 1a is in an initial (reset) state.

時点t3〜t4において、信号S24は“HIGH”となり、垂直走査回路6は、行選択MOSトランジスタ14のゲートに“HIGH”レベルのパルス信号を与えて行選択MOSトランジスタ14を導通させ、画素回路1aの初期状態のFDの電位に対応する基準出力(リセット信号)が、出力MOSトランジスタ13、電流源20で構成するソースフォロワを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの時点t3のVref値:基準出力)。   At time points t3 to t4, the signal S24 becomes “HIGH”, and the vertical scanning circuit 6 applies a “HIGH” level pulse signal to the gate of the row selection MOS transistor 14 to make the row selection MOS transistor 14 conductive, and the pixel circuit 1a. The reference output (reset signal) corresponding to the potential of the FD in the initial state is output to the column signal line 21 via the source follower constituted by the output MOS transistor 13 and the current source 20 (at the time of the signal SV in FIG. 3). Vref value of t3: reference output).

時点t5〜t6において、信号S23は“HIGH”となり、垂直走査回路6は、画素回路1aの転送MOSトランジスタ11のゲートに“HIGH”レベルのパルス信号を与えて転送トランジスタ11を導通させ、画素回路1aのフォトダイオード10に蓄積された電荷がFDに転送される。そして、転送された電荷とFDの容量により発生した電圧(FD電位)が、出力MOSトランジスタ13のゲートに印加される。   At time t5 to t6, the signal S23 becomes “HIGH”, and the vertical scanning circuit 6 applies the pulse signal of “HIGH” level to the gate of the transfer MOS transistor 11 of the pixel circuit 1a to make the transfer transistor 11 conductive, and the pixel circuit. The charges accumulated in the photodiode 10a of 1a are transferred to the FD. A voltage (FD potential) generated by the transferred charge and the capacitance of the FD is applied to the gate of the output MOS transistor 13.

時点t7〜t8において、信号S24は“HIGH”となり、垂直走査回路6は、行選択MOSトランジスタ14のゲートに“HIGH”レベルのパルス信号を与えて行選択MOSトランジスタ14を導通させ、画素回路1aのFD電位に対応する信号出力が、出力MOSトランジスタ13および電流源20で構成されるソースフォロワを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの時点t7のV1値:信号出力)。   From time t7 to time t8, the signal S24 becomes “HIGH”, and the vertical scanning circuit 6 applies a pulse signal of “HIGH” level to the gate of the row selection MOS transistor 14 to make the row selection MOS transistor 14 conductive, and the pixel circuit 1a. The signal output corresponding to the FD potential is output to the column signal line 21 via the source follower composed of the output MOS transistor 13 and the current source 20 (V1 value at time t7 of the signal SV in FIG. 3: signal output) ).

時点t8以降、画素回路1bも上記した駆動と同様の駆動がなされる。   After time t8, the pixel circuit 1b is also driven in the same manner as described above.

図4に、図1で示した保持回路部2の1列2行分の構成を具体的に示す。図4は、図1に示した固体撮像素子100における保持回路部2および差分回路部3の構成の一例を示す回路図である。図4中の破線2a、2bは、図2の画素回路1aに対応する保持回路2a、2bを示す。また、破線3aは、図2の画素回路1aが設けられた列に対応する差分回路3aである。差分回路部3は、保持回路部2から出力された基準出力(リセット信号)と電気信号との差分信号を出力する。   FIG. 4 specifically shows the configuration of one column and two rows of the holding circuit unit 2 shown in FIG. FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the holding circuit unit 2 and the difference circuit unit 3 in the solid-state imaging device 100 shown in FIG. Dashed lines 2a and 2b in FIG. 4 indicate holding circuits 2a and 2b corresponding to the pixel circuit 1a in FIG. A broken line 3a is the difference circuit 3a corresponding to the column in which the pixel circuit 1a of FIG. 2 is provided. The difference circuit unit 3 outputs a difference signal between the reference output (reset signal) output from the holding circuit unit 2 and the electrical signal.

保持回路2a、2bは、書き込み行選択MOSトランジスタ31、36と、記憶MOSトランジスタ32、37とを備えている。保持回路2a、2bのうちいずれか一方の記憶ノードには基準出力が、他方には信号出力が保持される。ここで、記憶ノードとは、詳細には、記憶MOSトランジスタ32、37のゲート容量のことをいう。   The holding circuits 2 a and 2 b include write row selection MOS transistors 31 and 36 and storage MOS transistors 32 and 37. One of the storage nodes 2a and 2b holds the reference output and the other holds the signal output. Here, the storage node means the gate capacitance of the storage MOS transistors 32 and 37 in detail.

また、図4に示すように、端子41、43は、記憶MOSトランジスタ32、37のドレインに接続されている。端子41、43は、読み出したい行のみ読み出し行選択電源線を介して電源に接続される。つまり、読み出したい行の端子41、43には、それぞれ読み出したいタイミングの時に電源からパルス電圧が与えられる。また、記憶MOSトランジスタ32、37のソースは、ドライブMOSトランジスタ35によりドライブされる読み出し列信号線34に接続されており、記憶MOSトランジスタ32、37とドライブMOSトランジスタ35とは、ソースフォロワ回路として動作する。つまり、記憶MOSトランジスタ32、37はドライブMOSトランジスタ35を共用しており、記憶MOSトランジスタ32とドライブMOSトランジスタ35、および、記憶MOSトランジスタ37とドライブMOSトランジスタ35で、それぞれソースフォロワ回路が構成されている。   As shown in FIG. 4, the terminals 41 and 43 are connected to the drains of the storage MOS transistors 32 and 37. The terminals 41 and 43 are connected to a power source through a read row selection power line only for the row to be read. That is, a pulse voltage is applied from the power source to the terminals 41 and 43 in the row to be read at the timing at which the reading is desired. The sources of the storage MOS transistors 32 and 37 are connected to the read column signal line 34 driven by the drive MOS transistor 35. The storage MOS transistors 32 and 37 and the drive MOS transistor 35 operate as a source follower circuit. To do. That is, the storage MOS transistors 32 and 37 share the drive MOS transistor 35, and the storage MOS transistor 32 and the drive MOS transistor 35, and the storage MOS transistor 37 and the drive MOS transistor 35 form a source follower circuit, respectively. Yes.

ドライブMOSトランジスタ35のゲートに接続された端子44には、保持回路2a、2bから読み出し列信号線34に基準出力または信号出力を読み出すときに、バイアス電圧が印加される。このとき、非選択行の端子41、43はオープン、つまり、電源に接続されないとすることで、選択行の記憶MOSトランジスタ32、37のみ、ソース−ドレイン間にゲート電圧に応じた電流が流れるようになる。この電流(ソース−ドレイン電流)の差を差分回路3aにより検出することで、記憶した信号を読み出すことができる。これにより、読み出し列信号線34には選択された行の信号のみが出力される。このとき、あらかじめ読み出し列信号線34を任意の電圧に設定しておき、選択行の読出し行選択電源線を任意の期間電源またはグランドと接続することにより、記憶MOSトランジスタ32、37に流れるソース−ドレイン電流の差として、この電流が読み出し列信号線34へ充放電されるときに読み出し列信号線34に生じる電圧変化を読み取ってもよい。   A bias voltage is applied to the terminal 44 connected to the gate of the drive MOS transistor 35 when the reference output or the signal output is read from the holding circuits 2a and 2b to the read column signal line 34. At this time, the terminals 41 and 43 in the non-selected rows are open, that is, not connected to the power supply, so that only the memory MOS transistors 32 and 37 in the selected row have a current corresponding to the gate voltage between the source and drain. become. The stored signal can be read out by detecting the difference between the currents (source-drain currents) by the difference circuit 3a. As a result, only the signal of the selected row is output to the read column signal line 34. At this time, by setting the read column signal line 34 to an arbitrary voltage in advance and connecting the read row selection power supply line of the selected row to the power supply or ground for an arbitrary period, the source − As a drain current difference, a voltage change that occurs in the read column signal line 34 when this current is charged to and discharged from the read column signal line 34 may be read.

ここで、保持回路2aが本実施の形態における第1記憶部に相当する。また、書き込み行選択MOSトランジスタ31、36が本実施の形態における第1のトランジスタ、記憶MOSトランジスタ32、37が第2のトランジスタに相当する。   Here, the holding circuit 2a corresponds to the first storage unit in the present embodiment. The write row selection MOS transistors 31 and 36 correspond to the first transistor in this embodiment, and the storage MOS transistors 32 and 37 correspond to the second transistor.

さらに、読み出し列信号線34は、図1中に示した差分回路部3に設けられた差分回路3aに接続される。差分回路3aは、図4に示すように、サンプル容量50と、分割容量51と、バイアス用MOSトランジスタ52とで構成され、バイアス用MOSトランジスタ52のゲートは端子53に接続され、ソースまたはドレインは端子54に接続されている。差分回路3aからは、保持回路2a、2bから出力された基準出力と信号出力との差である差分出力信号が出力される。差分出力信号は、差分回路3aから出力信号線55に出力される。   Further, the read column signal line 34 is connected to a difference circuit 3a provided in the difference circuit unit 3 shown in FIG. As shown in FIG. 4, the difference circuit 3a includes a sample capacitor 50, a divided capacitor 51, and a bias MOS transistor 52. The gate of the bias MOS transistor 52 is connected to a terminal 53, and the source or drain is The terminal 54 is connected. From the difference circuit 3a, a difference output signal that is the difference between the reference output output from the holding circuits 2a and 2b and the signal output is output. The difference output signal is output from the difference circuit 3a to the output signal line 55.

図5は、本実施の形態に係る固体撮像素子100における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。   FIG. 5 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment.

図5には、垂直走査回路6から図2および図4中の各端子22、23、24、40、41、42、43に印加される制御信号が示されている。制御信号は、印加される端子の符号にSを付した名称で表わされている。   FIG. 5 shows control signals applied from the vertical scanning circuit 6 to the terminals 22, 23, 24, 40, 41, 42, 43 in FIGS. 2 and 4. The control signal is represented by a name with S added to the sign of the applied terminal.

なお、端子25、26、27に印加される制御信号は端子22、23、24と同様であるため、省略する。また、信号S22、信号S23、信号S24、信号SVは、図3に記載したものと同一である。   Note that control signals applied to the terminals 25, 26, and 27 are the same as those of the terminals 22, 23, and 24, and thus are omitted. Further, the signal S22, the signal S23, the signal S24, and the signal SV are the same as those described in FIG.

また、信号S40は、端子40に印加される書き込み行選択MOSトランジスタ31のゲートに入力される信号である。信号S42は、端子42に印加される書き込み行選択MOSトランジスタ36のゲートに入力される信号である。信号S41は、端子41に印加される記憶MOSトランジスタ32のドレインに入力される信号である。信号S43は、端子43に印加される記憶MOSトランジスタ37のドレインに入力される信号である。   The signal S40 is a signal input to the gate of the write row selection MOS transistor 31 applied to the terminal 40. The signal S42 is a signal input to the gate of the write row selection MOS transistor 36 applied to the terminal 42. The signal S41 is a signal input to the drain of the storage MOS transistor 32 applied to the terminal 41. The signal S43 is a signal input to the drain of the storage MOS transistor 37 applied to the terminal 43.

以下、本実施の形態に係る固体撮像素子100の保持回路部2の動作について、図4、図5を参照しながら説明する。   Hereinafter, the operation of the holding circuit unit 2 of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

図5中の時点t3〜t4において、画素回路1aから列信号線21に基準出力:Vrefが出力される。このとき、信号S40、信号S41が“HIGH”になることで、垂直走査回路6は、書き込み行選択MOSトランジスタ31のゲート、記憶MOSトランジスタ32のドレインに“HIGH”レベルのパルス信号を与えて、書き込み行選択MOSトランジスタ31、記憶MOSトランジスタ32を導通させる。書き込み行選択MOSトランジスタ31が導通されることで、列信号線21の基準出力:Vrefは記憶ノード(ゲート容量)に保持される。具体的には、記憶MOSトランジスタ32のゲートに導かれ、記憶MOSトランジスタ32のゲート容量に保持される。このとき、記憶MOSトランジスタ32のドレインは電源に接続されているため、記憶MOSトランジスタ32とドライブMOSトランジスタ35とで構成されるソースフォロワも動作する。このため、後述する時点t9では、記憶MOSトランジスタ32のゲート容量に蓄積された基準出力:Vrefに応じた出力信号が、読み出し列信号線34に出力される。   At time points t3 to t4 in FIG. 5, the reference output: Vref is output from the pixel circuit 1a to the column signal line 21. At this time, when the signal S40 and the signal S41 become “HIGH”, the vertical scanning circuit 6 gives a “HIGH” level pulse signal to the gate of the write row selection MOS transistor 31 and the drain of the storage MOS transistor 32, The write row selection MOS transistor 31 and the storage MOS transistor 32 are made conductive. Since the write row selection MOS transistor 31 is turned on, the reference output Vref of the column signal line 21 is held in the storage node (gate capacitance). Specifically, it is guided to the gate of the storage MOS transistor 32 and held in the gate capacitance of the storage MOS transistor 32. At this time, since the drain of the storage MOS transistor 32 is connected to the power supply, the source follower composed of the storage MOS transistor 32 and the drive MOS transistor 35 also operates. Therefore, an output signal corresponding to the reference output: Vref accumulated in the gate capacitance of the storage MOS transistor 32 is output to the read column signal line 34 at time t9 described later.

このように、書き込み行選択MOSトランジスタ31が導通するとき、記憶MOSトランジスタ32はドライブMOSトランジスタ35とともにソースフォロワ、つまりアンプとして動作する。したがって、記憶MOSトランジスタ32のゲート容量に蓄積された電気信号に応じた出力信号を増幅して、効率よく読み出し列信号線34に出力することができる。   Thus, when the write row selection MOS transistor 31 is turned on, the storage MOS transistor 32 operates as a source follower, that is, an amplifier, together with the drive MOS transistor 35. Therefore, the output signal corresponding to the electrical signal accumulated in the gate capacitance of the storage MOS transistor 32 can be amplified and output to the read column signal line 34 efficiently.

また、保持回路2aに電気信号を保持するとき、記憶MOSトランジスタ32のドレインは、保持回路2aに保持されている電気信号を読み出すときと同様に、電源に接続される。つまり、記憶MOSトランジスタ32は、保持回路2aに電気信号を保持するとき、保持回路2aに保持されている電気信号を読み出すときの状態と同じように電源に接続され、その後オープン状態になるので、基準出力または信号出力の値を正確に保持し読み出すことができる。   Further, when the electric signal is held in the holding circuit 2a, the drain of the storage MOS transistor 32 is connected to the power source, as in the case of reading the electric signal held in the holding circuit 2a. That is, when the storage MOS transistor 32 holds an electrical signal in the holding circuit 2a, the storage MOS transistor 32 is connected to the power source in the same manner as when reading the electrical signal held in the holding circuit 2a, and then opened. The value of the reference output or signal output can be accurately held and read out.

図5中の時点t7〜t8において、画素回路1aから列信号線21に信号出力:V1が出力される。このとき、信号S42、信号S43が“HIGH”になることで、垂直走査回路6は、書き込み行選択MOSトランジスタ36のゲート、記憶MOSトランジスタ37のドレインに“HIGH”レベルのパルス信号を与えて、書き込み行選択MOSトランジスタ36、記憶MOSトランジスタ37を導通させる。書き込み行選択MOSトランジスタ36が導通されることで、列信号線21の信号出力:V1は記憶MOSトランジスタ37のゲートに導かれ、記憶MOSトランジスタ37のゲート容量に保持される。このとき、記憶MOSトランジスタ37のドレインは電源に接続されているため、記憶MOSトランジスタ37とドライブMOSトランジスタ35とで構成されるソースフォロワも動作する。このため、後述する時点t10では、記憶MOSトランジスタ37のゲート容量に蓄積された信号出力:V1に応じた出力が、読み出し列信号線34に出力される。   From time t7 to t8 in FIG. 5, the signal output V1 is output from the pixel circuit 1a to the column signal line 21. At this time, when the signal S42 and the signal S43 become “HIGH”, the vertical scanning circuit 6 applies a “HIGH” level pulse signal to the gate of the write row selection MOS transistor 36 and the drain of the storage MOS transistor 37, The write row selection MOS transistor 36 and the storage MOS transistor 37 are turned on. When the write row selection MOS transistor 36 is turned on, the signal output V1 of the column signal line 21 is guided to the gate of the storage MOS transistor 37 and held in the gate capacitance of the storage MOS transistor 37. At this time, since the drain of the storage MOS transistor 37 is connected to the power supply, the source follower composed of the storage MOS transistor 37 and the drive MOS transistor 35 also operates. For this reason, at time point t10 to be described later, an output corresponding to the signal output: V1 accumulated in the gate capacitance of the storage MOS transistor 37 is output to the read column signal line 34.

このように、書き込み行選択MOSトランジスタ36が導通するとき、記憶MOSトランジスタ37はドライブMOSトランジスタ35とともにソースフォロワ、つまりアンプとして動作する。したがって、記憶MOSトランジスタ37のゲート容量に蓄積された電気信号に応じた出力信号を増幅して効率よく読み出し列信号線34に出力することができる。   Thus, when the write row selection MOS transistor 36 is turned on, the storage MOS transistor 37 operates as a source follower, that is, an amplifier, together with the drive MOS transistor 35. Therefore, the output signal corresponding to the electric signal accumulated in the gate capacitance of the storage MOS transistor 37 can be amplified and output to the read column signal line 34 efficiently.

また、保持回路2bに電気信号を保持するとき、記憶MOSトランジスタ37のドレインは、保持回路2bに保持されている電気信号を読み出すときの状態と同じように電源に接続され、その後オープン状態になるので、基準出力または信号出力の値を正確に保持し読み出すことができる。   Further, when the electric signal is held in the holding circuit 2b, the drain of the storage MOS transistor 37 is connected to the power source in the same manner as when the electric signal held in the holding circuit 2b is read out, and then opened. Therefore, the value of the reference output or the signal output can be accurately held and read out.

時点t9では、信号S41は“HIGH”となり、記憶MOSトランジスタ32のドレインが電源に接続されて、基準出力:Vrefに応じた出力信号が読み出し列信号線34に出力される。   At time t9, the signal S41 becomes “HIGH”, the drain of the storage MOS transistor 32 is connected to the power supply, and an output signal corresponding to the reference output: Vref is output to the read column signal line 34.

時点t10では、信号S43は“HIGH”となり、記憶MOSトランジスタ37のドレインが電源に接続されて、信号出力:V1に応じた出力信号が読み出し列信号線34に出力される。   At time t10, the signal S43 becomes “HIGH”, the drain of the storage MOS transistor 37 is connected to the power supply, and an output signal corresponding to the signal output: V1 is output to the read column signal line 34.

次に、本実施の形態に係る固体撮像素子100の差分回路部3の動作について、図6を参照しながら説明する。   Next, the operation of the difference circuit unit 3 of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図6は、本実施の形態に係る固体撮像素子100における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートであり、上記した画素回路1a、保持回路2aの動作に加えて、差分回路3aに印加される制御信号の時間変化を示すものである。したがって、差分回路3aに印加される信号S53以外の信号は、図5に示した各信号と同様である。S53は、端子53を介してバイアス用MOSトランジスタ52のゲートに印加される制御信号である。   FIG. 6 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment, and is applied to the difference circuit 3a in addition to the operations of the pixel circuit 1a and the holding circuit 2a. It shows the time change of the control signal. Therefore, signals other than the signal S53 applied to the difference circuit 3a are the same as the signals shown in FIG. S 53 is a control signal applied to the gate of the bias MOS transistor 52 via the terminal 53.

図6中の時点t9において、上記したように保持回路2aより基準出力:Vrefが読み出し列信号線34に出力される。同時に、信号S53が“HIGH”になることで、バイアス用MOSトランジスタ52のゲートに“HIGH”レベルのパルス信号が印加されるため、バイアス用MOSトランジスタ52が導通し、端子54を介してバイアス用MOSトランジスタ52のドレインに印加されるバイアス電圧が図4中のM点に伝達される。このバイアス電圧をVBとすると、容量50の読み出し列信号線34側の電位はVref、M点側の電位はVBとなり、(Vref−VB)の電圧が容量50に印加される。一方、分割容量51のM点側は、VBの電圧が印加される。   At time t9 in FIG. 6, the reference output: Vref is output from the holding circuit 2a to the read column signal line 34 as described above. At the same time, since the signal S 53 becomes “HIGH”, a pulse signal of “HIGH” level is applied to the gate of the bias MOS transistor 52, so that the bias MOS transistor 52 becomes conductive and the bias MOS transistor 52 is turned on via the terminal 54. A bias voltage applied to the drain of the MOS transistor 52 is transmitted to point M in FIG. When this bias voltage is VB, the potential on the read column signal line 34 side of the capacitor 50 is Vref, the potential on the M point side is VB, and a voltage of (Vref−VB) is applied to the capacitor 50. On the other hand, the voltage VB is applied to the M point side of the divided capacitor 51.

時点t10において、信号S53が“LOW”になり、バイアス用MOSトランジスタ52は非導通、読み出し列信号線34には信号出力:V1が出力される。このとき、容量50の読み出し列信号線側の電位は(Vref−V1)で、M点側の電位は(Vref−V1)*C1/(C1+C2)となり、基準出力:Vrefと信号出力:V1の容量分圧された差分電圧が得られる。すなわち、V1およびVrefにノイズが含まれていたとしても、上記した(Vref−V1)と(Vref−V1)*C1/(C1+C2)から差分電圧を得るので、ノイズの影響が除去された出力信号が得られる。   At time t <b> 10, the signal S <b> 53 becomes “LOW”, the bias MOS transistor 52 is non-conductive, and the signal output: V <b> 1 is output to the read column signal line 34. At this time, the potential on the read column signal line side of the capacitor 50 is (Vref−V1), the potential on the M point side is (Vref−V1) * C1 / (C1 + C2), and the reference output: Vref and the signal output: V1 A capacity-divided differential voltage is obtained. That is, even if noise is included in V1 and Vref, the differential voltage is obtained from the above (Vref−V1) and (Vref−V1) * C1 / (C1 + C2). Is obtained.

このように、差分回路部3を組み合わせることで、固体撮像素子100においてノイズの出力を抑制することが可能である。   As described above, by combining the difference circuit unit 3, it is possible to suppress noise output in the solid-state imaging device 100.

以上のように、本実施の形態に係る固体撮像素子の保持回路2a、2bにおいて、記憶MOSトランジスタ32および37は、保持容量としての役割と、アンプ(増幅用のトランジスタ)としての役割の双方を担っており、保持容量とアンプとを独立に備えていた従来技術における固体撮像素子と比較して、回路面積を縮小することが可能である。また、記憶MOSトランジスタ32、37のドレインが、基準出力または信号出力の保持または読み出しの時に電源に接続されることにより、行選択が行われる構成である。したがって、行選択を行うための行選択MOSトランジスタを設ける必要がなく、回路構成を簡略化して記憶面積を縮小することができる。   As described above, in the holding circuits 2a and 2b of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the storage MOS transistors 32 and 37 have both a role as a holding capacitor and a role as an amplifier (amplifying transistor). The circuit area can be reduced as compared with the solid-state imaging device according to the prior art which is provided with a storage capacitor and an amplifier independently. Further, the drains of the storage MOS transistors 32 and 37 are connected to a power source when the reference output or the signal output is held or read, so that row selection is performed. Therefore, it is not necessary to provide a row selection MOS transistor for performing row selection, and the circuit area can be simplified and the storage area can be reduced.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態が実施の形態1と異なる点は、本実施の形態に係る固体撮像素子が、複数の保持回路部および複数の差分回路部を備える点である。また、差分回路が実施の形態1の差分回路の構成に加えて列選択MOSトランジスタを備える点である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the solid-state imaging device according to the present embodiment includes a plurality of holding circuit units and a plurality of difference circuit units. Further, the difference circuit is provided with a column selection MOS transistor in addition to the configuration of the difference circuit of the first embodiment.

図7は、本実施の形態の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。   FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment.

図7に示すように、固体撮像素子300は、画素回路部301と、第1保持回路部302と、第1差分回路部303と、第2保持回路部304と、第2差分回路部305と、出力線306と、水平走査回路307と、垂直走査回路308とを備える。   As illustrated in FIG. 7, the solid-state imaging device 300 includes a pixel circuit unit 301, a first holding circuit unit 302, a first difference circuit unit 303, a second holding circuit unit 304, and a second difference circuit unit 305. , An output line 306, a horizontal scanning circuit 307, and a vertical scanning circuit 308.

画素回路部301からは、基準出力と信号出力が出力される。第1保持回路部302は基準出力と信号出力、もしくは基準出力のみを記憶する。第1差分回路部303は、第1保持回路部302に記憶されている基準出力と信号出力の差分出力信号、もしくは第1保持回路部302に記憶されている基準出力と画素回路1aから出力される信号出力の差分である差分出力信号を出力する。第2保持回路部304は、第1差分回路部303から出力される差分出力信号を記憶する。第2差分回路部305は、第2保持回路部304に記憶されている差分出力と基準電圧とを差分し、水平走査回路307の出力に同期して出力線306に出力する。垂直走査回路308は、画素回路部301、第1保持回路部302、第2保持回路部304に制御信号であるパルス電圧を印加する。   A reference output and a signal output are output from the pixel circuit unit 301. The first holding circuit unit 302 stores the reference output and the signal output or only the reference output. The first difference circuit unit 303 outputs the difference output signal between the reference output and the signal output stored in the first holding circuit unit 302, or the reference output and the pixel circuit 1a stored in the first holding circuit unit 302. A differential output signal that is a difference in signal output is output. The second holding circuit unit 304 stores the differential output signal output from the first differential circuit unit 303. The second difference circuit unit 305 makes a difference between the difference output stored in the second holding circuit unit 304 and the reference voltage, and outputs the difference to the output line 306 in synchronization with the output of the horizontal scanning circuit 307. The vertical scanning circuit 308 applies a pulse voltage that is a control signal to the pixel circuit unit 301, the first holding circuit unit 302, and the second holding circuit unit 304.

図8は画素回路部301の1列2行分の画素の構成の一例を示す回路図である。図8中の破線301a、301bは単位画素を示している。   FIG. 8 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of pixels for one column and two rows of the pixel circuit unit 301. Broken lines 301a and 301b in FIG. 8 indicate unit pixels.

画素回路301aは、フォトダイオード310と、転送MOSトランジスタ311と、リセットMOSトランジスタ312と、出力MOSトランジスタ313とで構成される。画素回路301bは、画素回路301aと同様に、フォトダイオード315と、転送MOSトランジスタ316と、リセットMOSトランジスタ317と、出力MOSトランジスタ318とで構成される。   The pixel circuit 301 a includes a photodiode 310, a transfer MOS transistor 311, a reset MOS transistor 312, and an output MOS transistor 313. Similar to the pixel circuit 301a, the pixel circuit 301b includes a photodiode 315, a transfer MOS transistor 316, a reset MOS transistor 317, and an output MOS transistor 318.

画素回路301aにおいて、フォトダイオード310は、受光した光信号を電気信号に変換し、受光量に応じた電気信号を生成する。フォトダイオード310のアノードは接地され、カソードは転送MOSトランジスタ311のドレインに接続される。転送MOSトランジスタ311のソースは、リセットMOSトランジスタ312のソースと出力MOSトランジスタ313のゲートに接続され、ゲートは端子323に接続される。転送MOSトランジスタ311のソースからリセットMOSトランジスタ312のソース、出力MOSトランジスタ313のゲートまでの領域は、フローティングディフュージョン(以後FDと呼ぶ)と呼ばれる拡散容量を形成する。リセットMOSトランジスタ312のドレインは電源に接続され、ゲートは端子322に接続される。出力MOSトランジスタ313のドレインは電源に接続され、ソースは行選択MOSトランジスタ314のドレインに接続される。電流源320は、列信号線321に接続される。行選択MOSトランジスタ314のゲートは端子324に接続され、導通しているときは出力MOSトランジスタ313と電流源320とでソースフォロワが形成される。   In the pixel circuit 301a, the photodiode 310 converts the received optical signal into an electrical signal, and generates an electrical signal corresponding to the amount of received light. The anode of the photodiode 310 is grounded, and the cathode is connected to the drain of the transfer MOS transistor 311. The source of the transfer MOS transistor 311 is connected to the source of the reset MOS transistor 312 and the gate of the output MOS transistor 313, and the gate is connected to the terminal 323. A region from the source of the transfer MOS transistor 311 to the source of the reset MOS transistor 312 and the gate of the output MOS transistor 313 forms a diffusion capacitance called a floating diffusion (hereinafter referred to as FD). The drain of the reset MOS transistor 312 is connected to the power supply, and the gate is connected to the terminal 322. The drain of the output MOS transistor 313 is connected to the power supply, and the source is connected to the drain of the row selection MOS transistor 314. The current source 320 is connected to the column signal line 321. The gate of the row selection MOS transistor 314 is connected to the terminal 324, and when it is conductive, the output MOS transistor 313 and the current source 320 form a source follower.

画素回路301bにおいても、フォトダイオード315は、受光した光信号を電気信号に変換し、受光量に応じた電気信号を生成する。フォトダイオード315のアノードは接地され、カソードは転送MOSトランジスタ316のドレインに接続される。転送MOSトランジスタ316のソースは、リセットMOSトランジスタ317のソースと出力MOSトランジスタ318のゲートに接続され、ゲートは端子325に接続される。転送MOSトランジスタ316のソースからリセットMOSトランジスタ317のソース、出力MOSトランジスタ318のゲートまでの領域は、FDと呼ばれる拡散容量を形成する。リセットMOSトランジスタ317のドレインは電源に接続され、ゲートは端子325に接続される。出力MOSトランジスタ318のドレインは電源に接続され、ソースは行選択MOSトランジスタ319のドレインに接続される。行選択MOSトランジスタ319のゲートは端子327に接続され、導通しているときは出力MOSトランジスタ318と電流源320とでソースフォロワが形成される。   Also in the pixel circuit 301b, the photodiode 315 converts the received optical signal into an electrical signal, and generates an electrical signal corresponding to the amount of received light. The anode of the photodiode 315 is grounded, and the cathode is connected to the drain of the transfer MOS transistor 316. The source of the transfer MOS transistor 316 is connected to the source of the reset MOS transistor 317 and the gate of the output MOS transistor 318, and the gate is connected to the terminal 325. A region from the source of the transfer MOS transistor 316 to the source of the reset MOS transistor 317 and the gate of the output MOS transistor 318 forms a diffusion capacitor called FD. The drain of the reset MOS transistor 317 is connected to the power supply, and the gate is connected to the terminal 325. The drain of the output MOS transistor 318 is connected to the power supply, and the source is connected to the drain of the row selection MOS transistor 319. The gate of the row selection MOS transistor 319 is connected to the terminal 327, and when it is conductive, the output MOS transistor 318 and the current source 320 form a source follower.

また、画素回路301a、301bの出力は、行選択MOSトランジスタ314、行選択MOSトランジスタ319を介していずれも列信号線321に接続される。列信号線321は、図7の第1保持回路部302に接続される。   The outputs of the pixel circuits 301 a and 301 b are both connected to the column signal line 321 via the row selection MOS transistor 314 and the row selection MOS transistor 319. The column signal line 321 is connected to the first holding circuit unit 302 in FIG.

図9に、図7で示した第1保持回路部302の1列2行分の構成および第1差分回路部303の構成を具体的に示す。図9は、図7に示した固体撮像素子300における第1保持回路部302および第1差分回路部303の構成の一例を示す回路図である。図9中の破線302a、302bは、図8の各々の画素回路301a、301bに対応する第1保持回路302a、302bを示す。また、破線303aは、第1差分回路303aである。第1差分回路部303は、第1保持回路部302から出力された基準出力(リセット信号)と電気信号との差分信号を出力する。本実施の形態では、第1保持回路部302には、画素回路301a、301bと同数の第1保持回路302a、302bが設けられている。また、第1差分回路303aは、列毎に1つずつ設けられている。   FIG. 9 specifically shows the configuration of one column and two rows of the first holding circuit unit 302 and the configuration of the first difference circuit unit 303 shown in FIG. FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of the first holding circuit unit 302 and the first difference circuit unit 303 in the solid-state imaging device 300 illustrated in FIG. 7. Dashed lines 302a and 302b in FIG. 9 indicate first holding circuits 302a and 302b corresponding to the respective pixel circuits 301a and 301b in FIG. A broken line 303a is the first difference circuit 303a. The first difference circuit unit 303 outputs a difference signal between the reference output (reset signal) output from the first holding circuit unit 302 and the electrical signal. In the present embodiment, the first holding circuit unit 302 is provided with the same number of first holding circuits 302a and 302b as the pixel circuits 301a and 301b. One first difference circuit 303a is provided for each column.

画素回路301aに対応する第1保持回路302aおよび画素回路301bに対応する第1保持回路302bは、書き込み行選択MOSトランジスタ331、336と、記憶MOSトランジスタ332、337とを備えている。第1保持回路302aの記憶ノードには、画素回路301aの信号出力が保持される。第1保持回路302bの記憶ノードには、画素回路301bの信号出力が保持される。ここで、記憶ノードとは、詳細には、記憶MOSトランジスタ332、337のゲート容量のことをいう。また、第1保持回路302aには、画素回路301aから基準出力が読み出され、第1保持回路302bには、画素回路301bから基準出力が読み出される。   The first holding circuit 302a corresponding to the pixel circuit 301a and the first holding circuit 302b corresponding to the pixel circuit 301b include write row selection MOS transistors 331 and 336, and storage MOS transistors 332 and 337. The signal output of the pixel circuit 301a is held in the storage node of the first holding circuit 302a. The signal output of the pixel circuit 301b is held in the storage node of the first holding circuit 302b. Here, the storage node specifically refers to the gate capacitance of the storage MOS transistors 332 and 337. The first holding circuit 302a reads the reference output from the pixel circuit 301a, and the first holding circuit 302b reads the reference output from the pixel circuit 301b.

また、図9に示すように、端子341、343は、記憶MOSトランジスタ332、337のドレインに接続されている。端子341、343は、読み出したい行のみ読み出し行選択電源線を介して電源に接続される。つまり、読み出したい行の端子341、343には、それぞれ読み出したいタイミングの時に電源からパルス電圧が与えられる。また、記憶MOSトランジスタ332、337のソースは、ドライブMOSトランジスタ335によりドライブされる読み出し列信号線334に接続されており、ソースフォロワ回路として動作する。つまり、記憶MOSトランジスタ332、337はドライブMOSトランジスタ335を共用しており、記憶MOSトランジスタ332とドライブMOSトランジスタ335、および、記憶MOSトランジスタ337とドライブMOSトランジスタ335で、それぞれソースフォロワ回路が構成されている。   Further, as shown in FIG. 9, the terminals 341 and 343 are connected to the drains of the storage MOS transistors 332 and 337. The terminals 341 and 343 are connected to a power source through a read row selection power line only for the row to be read. That is, a pulse voltage is applied from the power source to the terminals 341 and 343 in the row to be read at the timing at which reading is desired. The sources of the storage MOS transistors 332 and 337 are connected to the read column signal line 334 driven by the drive MOS transistor 335, and operate as a source follower circuit. That is, the storage MOS transistors 332 and 337 share the drive MOS transistor 335, and the storage MOS transistor 332 and the drive MOS transistor 335, and the storage MOS transistor 337 and the drive MOS transistor 335 form a source follower circuit, respectively. Yes.

ドライブMOSトランジスタ335のゲートに接続された端子344には、第1保持回路302a、302bから読み出し列信号線334に基準出力または信号出力を読み出すときに、バイアス電圧が印加される。このとき、非選択行の端子341、343はオープン、つまり、電源に接続されないとすることで、読み出し列信号線334には選択された行の信号のみが出力される。   A bias voltage is applied to the terminal 344 connected to the gate of the drive MOS transistor 335 when the reference output or the signal output is read from the first holding circuits 302a and 302b to the read column signal line 334. At this time, the terminals 341 and 343 of the non-selected rows are open, that is, not connected to the power supply, so that only the signal of the selected row is output to the read column signal line 334.

ここで、第1保持回路302aが本実施の形態における第1記憶部に相当する。また、書き込み行選択MOSトランジスタ331、336が本実施の形態における第1のトランジスタ、記憶MOSトランジスタ332、337が第2のトランジスタに相当する。   Here, the first holding circuit 302a corresponds to the first storage unit in the present embodiment. The write row selection MOS transistors 331 and 336 correspond to the first transistor in this embodiment, and the storage MOS transistors 332 and 337 correspond to the second transistor.

さらに、読み出し列信号線334は、図7中に示した第1差分回路部303に設けられた第1差分回路303aに接続される。第1差分回路303aは、図9に示すように、列選択MOSトランジスタ345と、サンプル容量350と、分割容量351と、バイアス用MOSトランジスタ352とで構成され、バイアス用MOSトランジスタ352のゲートは端子353に接続され、ソースまたはドレインは端子354に接続されている。列選択MOSトランジスタ345のゲートは、端子355に接続されている。端子355には、所望のタイミングでパルス電圧が印加され、これにより、列選択MOSトランジスタ345にパルス電圧が印加されて導通されることにより、行選択が行われる。選択された行の第1差分回路303aからは、第1保持回路302a、302bから出力された基準出力と信号出力との差である差分出力信号が出力される。差分出力信号は、第1差分回路303aから出力線356に出力される。   Further, the read column signal line 334 is connected to a first difference circuit 303a provided in the first difference circuit unit 303 shown in FIG. As shown in FIG. 9, the first difference circuit 303a includes a column selection MOS transistor 345, a sample capacitor 350, a divided capacitor 351, and a bias MOS transistor 352, and the gate of the bias MOS transistor 352 is a terminal. The source or drain is connected to the terminal 354. The gate of the column selection MOS transistor 345 is connected to the terminal 355. A pulse voltage is applied to the terminal 355 at a desired timing, whereby a pulse voltage is applied to the column selection MOS transistor 345 to be conducted, thereby selecting a row. From the first difference circuit 303a in the selected row, a difference output signal that is the difference between the reference output and the signal output output from the first holding circuits 302a and 302b is output. The difference output signal is output from the first difference circuit 303a to the output line 356.

このような構成とすることにより、図8の画素回路301a、画素回路301bより出力された信号出力(受光量に応じた信号)は、第1保持回路302a、第1保持回路302bに各々異なるタイミングで記憶(保持)される。さらに、第1保持回路302a、第1保持回路302b各々の出力は、読み出し列信号線334を介して接続された第1差分回路303aにおいて、第1保持回路302a、第1保持回路302bのそれぞれからの基準出力(リセット信号)と信号出力の差分に比例した電圧(差分出力信号)として出力線356に出力される。第1差分回路303aから出力された差分出力信号は、第2保持回路部304に保持される。   With such a configuration, signal outputs (signals corresponding to the amount of received light) output from the pixel circuit 301a and the pixel circuit 301b in FIG. 8 have different timings for the first holding circuit 302a and the first holding circuit 302b, respectively. Is stored (held). Furthermore, the outputs of the first holding circuit 302a and the first holding circuit 302b are respectively output from the first holding circuit 302a and the first holding circuit 302b in the first difference circuit 303a connected via the read column signal line 334. Is output to the output line 356 as a voltage (difference output signal) proportional to the difference between the reference output (reset signal) and the signal output. The difference output signal output from the first difference circuit 303 a is held in the second holding circuit unit 304.

なお、第1差分回路303aの構成は、上記した構成に限らず、実施の形態1に示した差分回路3aの構成のように、列選択MOSトランジスタ345を備えていない構成であってもよい。   Note that the configuration of the first difference circuit 303a is not limited to the configuration described above, and may be a configuration that does not include the column selection MOS transistor 345 like the configuration of the difference circuit 3a described in the first embodiment.

次に、第2保持回路部304について説明する。   Next, the second holding circuit unit 304 will be described.

図10に、図7で示した第2保持回路部304の1列1行分の構成の一例を示す。第2保持回路部304は、第2保持回路304aは、第2保持回路部304を構成する単位保持回路である第2保持回路304aを、画素回路部301に設けられた画素回路301aと同数備えている。   FIG. 10 shows an example of the configuration of one column and one row of the second holding circuit unit 304 shown in FIG. The second holding circuit unit 304 includes the same number of second holding circuits 304a as unit holding circuits constituting the second holding circuit unit 304 as the number of pixel circuits 301a provided in the pixel circuit unit 301. ing.

図10に示すように、第2保持回路304aは、列信号線321および読み出し列信号線334に接続されており、書き込み行選択MOSトランジスタ441と、記憶MOSトランジスタ442と、読み出し行選択MOSトランジスタ443とを備えている。また、書き込み行選択MOSトランジスタ441のゲートは、電源線454に接続されている。また、記憶MOSトランジスタ442のドレインは、電源に接続されている。さらに、読み出し行選択MOSトランジスタ443のゲートは、読み出し行選択電源線453に接続されている。   As shown in FIG. 10, the second holding circuit 304a is connected to the column signal line 321 and the read column signal line 334, and includes a write row selection MOS transistor 441, a storage MOS transistor 442, and a read row selection MOS transistor 443. And. The gate of the write row selection MOS transistor 441 is connected to the power supply line 454. The drain of the storage MOS transistor 442 is connected to the power supply. Further, the gate of the read row selection MOS transistor 443 is connected to the read row selection power supply line 453.

記憶MOSトランジスタ442は、読み出し行選択MOSトランジスタ443と電流源(図示せず)とでソースフォロワを形成する。また、第2保持回路304aは、記憶MOSトランジスタ442の記憶ノード(ゲート容量)に列信号線321から入力された信号出力を保持し、出力する。すなわち、第2保持回路304aは、保持容量としての役割と、アンプ(増幅用のトランジスタ)としての役割の双方を担っている。   The storage MOS transistor 442 forms a source follower with the read row selection MOS transistor 443 and a current source (not shown). The second holding circuit 304 a holds and outputs the signal output input from the column signal line 321 to the storage node (gate capacitance) of the storage MOS transistor 442. That is, the second holding circuit 304a has both a role as a holding capacitor and a role as an amplifier (amplifying transistor).

ここで、第2保持回路304aが本実施の形態における第2記憶部に相当する。また、書き込み行選択MOSトランジスタ441が本実施の形態における第1のトランジスタ、記憶MOSトランジスタ442が第2のトランジスタに相当する。   Here, the second holding circuit 304a corresponds to the second storage unit in this embodiment. The write row selection MOS transistor 441 corresponds to the first transistor in this embodiment, and the storage MOS transistor 442 corresponds to the second transistor.

さらに、読み出し列信号線334は、図7中に示した第2差分回路部305に設けられた第2差分回路305aに接続される。第2差分回路305aは、上記した第1差分回路303aと同様の構成であるため、説明を省略する。   Further, the read column signal line 334 is connected to a second difference circuit 305a provided in the second difference circuit unit 305 shown in FIG. Since the second difference circuit 305a has the same configuration as the first difference circuit 303a described above, the description thereof is omitted.

なお、第2差分回路305aの構成は、第1差分回路303aと同様の構成に限らず、実施の形態1に示した差分回路3aと同様の構成であってもよい。   The configuration of the second difference circuit 305a is not limited to the configuration similar to the first difference circuit 303a, and may be the same configuration as the difference circuit 3a shown in the first embodiment.

また、第2保持回路304aの構成は、以下に示すような構成であってもよい。図11に、第2保持回路の構成の一例を示す。   The configuration of the second holding circuit 304a may be as shown below. FIG. 11 shows an example of the configuration of the second holding circuit.

図11に示すように、第2保持回路504aは、書き込み行選択MOSトランジスタ551、記憶MOSトランジスタ552とを備えている。書き込み行選択MOSトランジスタ551のゲートは、電源線554に接続されている。また、記憶MOSトランジスタ552のドレインは、読み出し行選択電源線553に接続されている。   As shown in FIG. 11, the second holding circuit 504 a includes a write row selection MOS transistor 551 and a storage MOS transistor 552. The gate of the write row selection MOS transistor 551 is connected to the power supply line 554. The drain of the storage MOS transistor 552 is connected to the read row selection power line 553.

この第2保持回路504aでは、読み出しを行う選択行の読み出し行選択電源線553のみを電源に接続し、他の非選択行の読み出し行選択電源線553はオープンとすることで、選択行の記憶MOSトランジスタ552のみ、ソース−ドレイン間にゲート電圧に応じた電流が流れるようになる。この電流(ソース−ドレイン電流)の差を差分回路305aにより検出することで、記憶した信号を読み出すことができる。このとき、あらかじめ読み出し列信号線334を任意の電圧に設定しておき、選択行の読出し行選択電源線553を任意の期間電源またはグランドと接続することにより、記憶MOSトランジスタ552に流れるソース−ドレイン電流の差として、この電流が読み出し列信号線334へ充放電されるときに読み出し列信号線334に生じる電圧変化を読み取ってもよい。   In the second holding circuit 504a, only the read row selection power supply line 553 of the selected row to be read is connected to the power source, and the read row selection power supply line 553 of the other non-selected rows is opened, thereby storing the selected row. Only in the MOS transistor 552, a current corresponding to the gate voltage flows between the source and the drain. The stored signal can be read by detecting the difference between the currents (source-drain currents) by the difference circuit 305a. At this time, the read column signal line 334 is set to an arbitrary voltage in advance, and the read row selection power supply line 553 of the selected row is connected to the power supply or the ground for an arbitrary period, whereby the source-drain flowing in the storage MOS transistor 552 As a difference in current, a voltage change that occurs in the read column signal line 334 when this current is charged to and discharged from the read column signal line 334 may be read.

(変形例)
以下、本発明の変形例について説明する。本発明に係る保持回路は、上記した実施の形態1および実施の形態2に示した保持回路(第1保持回路、第2保持回路)の構成に限らず、以下に示すような構成であってもよい。
(Modification)
Hereinafter, modifications of the present invention will be described. The holding circuit according to the present invention is not limited to the configuration of the holding circuit (first holding circuit, second holding circuit) described in the first embodiment and the second embodiment, and has the following configuration. Also good.

図12に本発明に係る保持回路の第1の変形例を示す。図12に示すように、本変形例に係る保持回路604aは、書き込み行選択MOSトランジスタ651と、記憶MOSトランジスタ652とを備えている。書き込み行選択MOSトランジスタ651のゲートは、電源線654に接続されている。また、記憶MOSトランジスタ652のドレインは、読み出し行選択電源線653に接続されている。   FIG. 12 shows a first modification of the holding circuit according to the present invention. As shown in FIG. 12, the holding circuit 604a according to this modification includes a write row selection MOS transistor 651 and a storage MOS transistor 652. The gate of the write row selection MOS transistor 651 is connected to the power supply line 654. The drain of the storage MOS transistor 652 is connected to the read row selection power line 653.

さらに、ドライブMOSトランジスタ660が出力線に接続され、選択された行の記憶MOSトランジスタ652とドライブMOSトランジスタ660でソースフォロワ回路が構成され、記憶MOSトランジスタ652のゲート電圧に応じた出力信号が出力線654に出力される。   In addition, drive MOS transistor 660 is connected to the output line, and the memory MOS transistor 652 and drive MOS transistor 660 in the selected row form a source follower circuit. An output signal corresponding to the gate voltage of storage MOS transistor 652 is output to the output line. It is output to 654.

また、図12に示したドライブMOSトランジスタ660の接続と電源を変更することで、ソースフォロワ回路の代わりにインバータ回路を構成してもよい。   Further, an inverter circuit may be configured instead of the source follower circuit by changing the connection and power supply of the drive MOS transistor 660 shown in FIG.

図13に、本発明に係る保持回路の第2の変形例を示す。図13に示すように、本変形例に係る保持回路704aは、書き込み行選択MOSトランジスタ751と、記憶MOSトランジスタ752と、記憶用キャパシタ755とを備えている。記憶用キャパシタ755を追加することで保持回路704aの保持容量が大きくなり、ノイズを低減することができ高画質化できる。書き込み行選択MOSトランジスタ751のゲートは、電源線754に接続されている。また、記憶MOSトランジスタ752のドレインは、読み出し行選択電源線753に接続されている。   FIG. 13 shows a second modification of the holding circuit according to the present invention. As shown in FIG. 13, the holding circuit 704 a according to the present modification includes a write row selection MOS transistor 751, a storage MOS transistor 752, and a storage capacitor 755. By adding the storage capacitor 755, the holding capacity of the holding circuit 704a is increased, noise can be reduced, and image quality can be improved. The gate of the write row selection MOS transistor 751 is connected to the power supply line 754. The drain of the storage MOS transistor 752 is connected to the read row selection power line 753.

このように、本実施の形態の一連の画素信号読み出しと記憶動作によって、画素信号をほぼ全画素同時に読み出すグローバルシャッター動作に近い読み出しを非常に低消費電力で、かつ、容量の変動が少なく安定な信号レベルで行うことが可能となる。さらに本実施の形態においては、記憶装置を小面積化することができる。   As described above, the series of pixel signal readout and storage operations according to the present embodiment enables readout that is close to a global shutter operation that reads out pixel signals almost simultaneously at a very low power consumption and is stable with little fluctuation in capacitance. This can be done at the signal level. Further, in this embodiment, the area of the storage device can be reduced.

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記した実施の形態では、単位画素に光電変換素子が一つ含まれる場合を示したが、本発明はそれに限定されず、単位画素に複数の光電変換素子が含まれ、FDが複数の光電変換素子により共有される場合にも適応可能である。例えば、図14A、図14Bのような画素構成が考えられる。   For example, in the above-described embodiment, the case where one unit includes one photoelectric conversion element has been described. However, the present invention is not limited thereto, and each unit pixel includes a plurality of photoelectric conversion elements, and a plurality of FDs. The present invention can also be applied to a case where it is shared by photoelectric conversion elements. For example, pixel configurations as shown in FIGS. 14A and 14B are possible.

図14Aにおいては、単位画素811は、光電変換素子であるフォトダイオード860、865と、転送トランジスタ861、866と、リセットトランジスタ862と、SFトランジスタ863とを備えている。つまり、光電変換素子2個、転送トランジスタ2個に対してFD1個、リセットトランジスタ(共有リセットトランジスタ)1個、SFトランジスタ(共有SFトランジスタ)1個で構成されており、2個の光電変換素子の信号が各転送トランジスタ561、566を通り、FDに読み出される構成である。   In FIG. 14A, the unit pixel 811 includes photodiodes 860 and 865 that are photoelectric conversion elements, transfer transistors 861 and 866, a reset transistor 862, and an SF transistor 863. That is, it is composed of two photoelectric conversion elements, one FD for two transfer transistors, one reset transistor (shared reset transistor), and one SF transistor (shared SF transistor). A signal is read through the transfer transistors 561 and 566 and read out to the FD.

また、図14Bにおいては、単位画素811は、図14Aの構成に加えて単位画素811内の選択トランジスタ864を備えた構成である。このように、複数の光電変換素子によりFDを共有することで、画素セルにおける受光部の開口度がさらに向上する。   In FIG. 14B, the unit pixel 811 includes a selection transistor 864 in the unit pixel 811 in addition to the configuration in FIG. 14A. Thus, by sharing the FD by the plurality of photoelectric conversion elements, the aperture of the light receiving portion in the pixel cell is further improved.

また、本発明に係る固体撮像素子は、上記した実施の形態1、2に示した構成に限らず、例えば、第2保持回路を備え、第2差分回路を備えていない構成であってもよい。この場合、第2保持回路に保持された信号出力と基準出力との差分である差分出力信号を出力線(水平転送線)に直接出力してもよい。   Further, the solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the configuration shown in the first and second embodiments, and may be configured to include the second holding circuit and not the second difference circuit, for example. . In this case, a differential output signal that is a difference between the signal output held in the second holding circuit and the reference output may be directly output to the output line (horizontal transfer line).

また、保持回路の数は、画素回路の数と同数、2倍の数に限らず、その他の倍数であってもよい。また、倍数に限らず、その他の数であってもよい。また、差分回路の数は、各列に1つずつに限らず、その他の数であってもよい。   Further, the number of holding circuits is not limited to the same number as the number of pixel circuits and twice the number, but may be other multiples. The number is not limited to a multiple, and may be other numbers. Further, the number of difference circuits is not limited to one for each column, but may be other numbers.

また、本発明において使用される各トランジスタは、p型、n型のいずれであってもよく、トランジスタのドレインとソースは逆に接続されていてもよい。   Each transistor used in the present invention may be either p-type or n-type, and the drain and source of the transistor may be connected in reverse.

また、本発明に係る固体撮像素子には、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の形態や、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素子を備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明に係る固体撮像素子を備えたムービーカメラも本発明に含まれる。   In addition, the solid-state imaging device according to the present invention is applicable to other embodiments realized by combining arbitrary components in the above-described embodiments and to the embodiments without departing from the gist of the present invention. Modifications obtained by various modifications conceived by a trader, various devices including the solid-state imaging device according to the present invention, and the like are also included in the present invention. For example, a movie camera including the solid-state imaging device according to the present invention is also included in the present invention.

本発明の固体撮像素子は、監視カメラ、ネットワークカメラ、車載カメラ、デジタルカメラ、携帯電話などに利用可能であり、これらの機器の小型化および撮像画像の画質向上を実現可能とする。   The solid-state imaging device of the present invention can be used for surveillance cameras, network cameras, vehicle-mounted cameras, digital cameras, mobile phones, and the like, and can reduce the size of these devices and improve the quality of captured images.

1、301 画素回路部
1a、1b、301a、301b 画素回路(画素)
2 保持回路部
2a、2b 保持回路(記憶部)
3 差分回路部
3a 差分回路
21、321 列信号線(入力信号線)
31、36、331、336、441、551、651、751 書き込み行選択MOSトランジスタ(第1トランジスタ)
32、37、332、337、442、552、652、752 記憶MOSトランジスタ(第2トランジスタ)
34、334 読み出し列信号線(出力信号線)
35、335、660 ドライブMOSトランジスタ(負荷トランジスタ)
40、42、340、342 端子(行選択線)
41、43、341、343 端子(行電源線)
100、1200 固体撮像素子
302 第1保持回路部
302a、302b 第1保持回路(第1記憶部)
303 第1差分回路部
303a 第1差分回路(差分回路)
304 第2保持回路部
304a、504a 第2保持回路(第2記憶部)
305 第2差分回路部
305a 第2差分回路
604a、704a 保持回路(第1記憶部、第2記憶部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,301 Pixel circuit part 1a, 1b, 301a, 301b Pixel circuit (pixel)
2 holding circuit unit 2a, 2b holding circuit (storage unit)
3 Difference circuit section 3a Difference circuit 21, 321 Column signal line (input signal line)
31, 36, 331, 336, 441, 551, 651, 751 Write row selection MOS transistor (first transistor)
32, 37, 332, 337, 442, 552, 652, 752 Memory MOS transistor (second transistor)
34, 334 Read column signal line (output signal line)
35, 335, 660 Drive MOS transistor (load transistor)
40, 42, 340, 342 terminals (row selection lines)
41, 43, 341, 343 terminals (row power line)
100, 1200 Solid-state imaging device 302 First holding circuit unit 302a, 302b First holding circuit (first storage unit)
303 1st difference circuit part 303a 1st difference circuit (difference circuit)
304 Second holding circuit section 304a, 504a Second holding circuit (second storage section)
305 Second difference circuit unit 305a Second difference circuit 604a, 704a Holding circuit (first storage unit, second storage unit)

Claims (12)

行列状に配置され、受光量に応じた電気信号を出力する複数の画素と、
前記複数の画素の列毎に設けられた列信号線と、
前記列信号線毎に設けられ、対応する列の前記複数の画素から前記列信号線を通して転送された電気信号を記憶する第1記憶部とを備え、
前記第1記憶部は、
ゲートが行を選択するための制御信号が与えられる行選択線に接続され、ソースまたはドレインの一方が対応する列の前記列信号線に接続され、他方が電気信号を記憶するための記憶ノードに接続された第1トランジスタと、
ゲートが前記記憶ノードに接続され、ソースまたはドレインの一方が選択された行に電源電圧を供給するための行電源線に接続され、他方が出力信号線に接続された第2トランジスタとを備える
固体撮像素子。
A plurality of pixels arranged in a matrix and outputting an electrical signal corresponding to the amount of received light;
A column signal line provided for each column of the plurality of pixels;
A first storage unit that is provided for each column signal line and stores an electrical signal transferred from the plurality of pixels in the corresponding column through the column signal line;
The first storage unit
A gate is connected to a row selection line to which a control signal for selecting a row is applied, one of a source and a drain is connected to the column signal line of a corresponding column, and the other is a storage node for storing an electrical signal A connected first transistor;
A solid-state transistor including a second transistor having a gate connected to the storage node, one of a source and a drain connected to a row power supply line for supplying a power supply voltage to a selected row, and the other connected to an output signal line Image sensor.
前記行電源線にはパルス電源電圧が印加され、前記パルス電源電圧が印加された行の前記第2トランジスタの前記記憶ノードから、記憶された電気信号が前記出力信号線に出力される
請求項1に記載の固体撮像素子。
The pulse power supply voltage is applied to the row power supply line, and the stored electrical signal is output to the output signal line from the storage node of the second transistor in the row to which the pulse power supply voltage is applied. The solid-state image sensor described in 1.
前記固体撮像素子は、さらに、
前記出力信号線毎に設けられ、対応する列の前記列信号線を通して転送された電気信号とリセット信号との電圧の差分を出力する第1差分回路を備える
請求項1または2に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device further includes:
3. The solid-state imaging according to claim 1, further comprising a first difference circuit that is provided for each of the output signal lines and outputs a voltage difference between an electric signal transferred through the column signal line of a corresponding column and a reset signal. element.
前記第1差分回路は、
前記記憶ノードに画素信号が保持されたときとリセット信号が保持されたときの前記記憶ノードの電圧差により生じる前記第2トランジスタのソース−ドレイン電流の差を読み取る
請求項3に記載の固体撮像素子。
The first difference circuit is
4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein a difference between a source-drain current of the second transistor caused by a voltage difference of the storage node when a pixel signal is held in the storage node and when a reset signal is held is read. .
前記第1差分回路は、
前記ソース−ドレイン電流が前記出力信号線へ充放電されるときに前記出力信号線に生じる電圧変化を、前記ソース−ドレイン電流の差として読み取る
請求項4に記載の固体撮像素子。
The first difference circuit is
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein a voltage change generated in the output signal line when the source-drain current is charged / discharged to / from the output signal line is read as a difference between the source-drain currents.
前記固体撮像素子は、
前記第1記憶部を、前記複数の画素の数と同数備えている
請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device is
6. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of the first storage units is the same as the number of the plurality of pixels.
前記固体撮像素子は、
前記第1記憶部を、前記複数の画素の数の倍数備えている
請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first storage unit includes a multiple of the number of the plurality of pixels.
前記出力信号線には、負荷トランジスタが接続され、
前記第2トランジスタと前記負荷トランジスタとで、ソースフォロワ回路が構成される
請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
A load transistor is connected to the output signal line,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a source follower circuit is configured by the second transistor and the load transistor.
前記出力信号線には、負荷トランジスタが接続され、
前記第2トランジスタと前記負荷トランジスタとで、インバータ回路が構成される
請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
A load transistor is connected to the output signal line,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second transistor and the load transistor constitute an inverter circuit.
前記固体撮像素子は、さらに、
列毎に設けられ、前記第1差分回路のそれぞれに接続され、対応する列の前記第1差分回路から転送された電気信号とリセット信号との差分を記憶する第2記憶部を備える
請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device further includes:
2. A second storage unit that is provided for each column, is connected to each of the first difference circuits, and stores a difference between an electric signal transferred from the first difference circuit of the corresponding column and a reset signal. The solid-state image sensor of any one of -9.
前記固体撮像素子は、さらに、
列毎に設けられ、前記第2記憶部のそれぞれに接続された第2差分回路を備える
請求項10に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device further includes:
The solid-state imaging device according to claim 10, further comprising a second difference circuit provided for each column and connected to each of the second storage units.
受光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子の駆動方法であって、
記憶部の記憶ノードから記憶された電気信号を読み出すときに、行を選択するための制御信号が与えられる行電源線にパルス電源電圧が印加され、
前記パルス電源電圧が印加された行の前記記憶部の前記記憶ノードから、記憶された電気信号が出力信号線に出力される
固体撮像素子の駆動方法。
A method of driving a solid-state imaging device that outputs an electrical signal corresponding to the amount of received light,
When reading the stored electrical signal from the storage node of the storage unit, a pulse power supply voltage is applied to the row power supply line to which a control signal for selecting a row is applied,
A method for driving a solid-state imaging device in which a stored electrical signal is output to an output signal line from the storage node of the storage unit in a row to which the pulse power supply voltage is applied.
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