JP2012195851A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置において、記憶回路部から信号を出力する時に発生するノイズを除去し、ＳＮ比を向上させること。
【解決手段】 複数の画素（２０１）と、複数の画素から出力された信号を記憶する複数の記憶回路（２０２）と、記憶された信号を増幅して逐次的に出力する複数の増幅回路（Ｍ２１、Ｍ２２）と、増幅回路に所定の電圧を供給する電圧生成回路（１０３）と、該電圧を保持する容量（ＣＶＢ２）を有する保持回路（１０４）と、電荷を蓄積中、電圧生成回路から供給される電圧を増幅回路に供給し、記憶回路から信号を出力する間、電圧生成回路から供給される電圧を増幅回路に供給せずに、保持回路の容量に保持された電圧を増幅回路に供給するように制御する制御手段（φＶＢ２）と、増幅回路から出力された信号のうちの最も小さい信号を、増幅回路から出力された信号から減じて出力する出力回路（１０６）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置におけるノイズ除去に関するものである。

従来、固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサやオートフォーカス用のセンサ等の用途に用いられており、近年、センサの高精度化がより求められるようになってきている。固体撮像装置において、光の強さに応じた電気信号を精度よく読み出すために、電荷に応じた信号に重畳しているノイズをできるだけ除去することが求められる。

例えば、特許文献１では、固体撮像装置のセンサセル部とメモリセル部と転送系とを複数の動作モードで動作させることにより、センサセル部の固定パターンノイズとリセット動作毎に変動するランダムノイズとを除去することが開示されている。これにより、Ｓ／Ｎ比の高い出力を得ることが示されている。

特開平９−２００６１４号公報

しかしながら、増幅回路のバイアス電圧には、通常、熱雑音（ホワイトノイズ）が発生し、増幅回路の出力にはランダムなノイズが更に重畳している。上述した特許文献１では、出力回路を介して複数のメモリセル部からの信号を出力する際に、シフトレジスタからの信号制御により、一セル分ずつ逐次的に出力するため、出力回路からの信号には、メモリセル部毎にそれぞれランダムなノイズが重畳している。図８は従来技術の出力信号に重畳されるノイズの概念図である。このようにメモリセル部からの出力に重畳されたランダムなノイズを、特許文献１に開示された技術では、メモリセル部から増幅回路を介して読み出す際に除去することができず、精度の高い出力信号を得ることができなかった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像装置において、記憶回路部から信号を出力する時に発生するノイズを除去し、ＳＮ比を向上させることを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換して得られた電荷を蓄積して出力する複数の画素と、前記複数の画素から出力された信号を記憶する、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数の記憶回路と、前記複数の記憶回路に記憶された信号を増幅して逐次的に出力する複数の増幅回路と、前記所定の電圧を供給する電圧生成回路と、前記電圧生成回路からの前記電圧を保持する容量を有する保持回路と、前記複数の画素で電荷を蓄積中、前記電圧生成回路から供給される前記電圧を前記複数の増幅回路に供給し、前記複数の増幅回路により前記複数の記憶回路に保持された信号を出力する間、前記電圧生成回路から供給される前記電圧を前記複数の増幅回路に供給せずに、前記保持回路の前記容量に保持された前記電圧を前記複数の増幅回路に供給するように制御する制御手段と、前記複数の増幅回路から出力された信号のうちの最も小さい信号を、前記複数の増幅回路から出力された信号から減じて出力する出力回路とを有する。

本発明によれば、固体撮像装置において、記憶回路部から信号を出力する時に発生するノイズを除去し、ＳＮ比を向上させることができる。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。 実施の形態における画素と記憶回路の一例を示す回路図。 実施の形態における信号モニタ回路の一例を示す回路図。 実施の形態における出力回路の一例を示す回路図。 実施の形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャート。 実施の形態における差分信号による蓄積時間の制御方法を説明するための図。 実施の形態における出力回路の出力信号とノイズとの関係を示す概念図。 従来技術による固体撮像装置の出力信号とノイズとの関係を示す概念図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示す固体撮像装置１００において、被写体像は、複数の画素で構成されるセンサ部１０１において、光電変換され、電荷として蓄積される。更に、蓄積された電荷は増幅回路を介して電圧として出力される。

記憶回路部１０２は、センサ部１０１の画素に応じた複数の記憶回路によりセンサ部１０１の出力信号を保持し、保持した信号を増幅回路を介して電圧として出力する。記憶回路部１０２の出力は、シフトレジスタ１０５からの信号により選択され、出力回路１０６から出力される。

電圧生成回路１０３は、センサ部１０１を構成する増幅回路及び記憶回路部１０２を構成する増幅回路にそれぞれ供給する所定の電圧ＶＢ１、ＶＢ２を生成する。電圧ＶＢ２は、保持回路１０４のスイッチＳＷＶＢ２を介して記憶回路部１０２に供給され、スイッチＳＷＶＢ２は信号φＶＢ２によりオン／オフ制御される。また、スイッチＳＷＶＢ２と記憶回路部１０２の間には、容量ＣＶＢ２が接続されている。

信号モニタ回路１０７は、センサ部１０１の出力信号のうち最も大きな信号と、最も小さな信号を検出し、これらの差分信号を蓄積停止判定回路１０８へ出力する。また、信号モニタ回路１０７は、記憶回路部１０２の出力信号のうち最も小さな信号を検出し、検出した信号を出力回路１０６へ出力する。蓄積停止判定回路１０８は、信号モニタ回路１０７の出力から蓄積停止判定をし、センサ部１０１の蓄積を停止するため、センサ部１０１へ蓄積停止信号を出力する。

図２は、センサ部１０１を構成する各画素２０１の回路図と、記憶回路部１０２を構成する記憶回路２０２の回路図の一例を示す。

画素２０１は入射光を光電変換するフォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＭ１１、Ｍ１２、スイッチＳＷＲＥＳ、ＳＷＦＴ１１で構成されている。ＭＯＳトランジスタＭ１１、Ｍ１２は第１の増幅回路を構成しており、第１の増幅回路の出力はスイッチＳＷＦＴ１１を介して、対応する記憶回路２０２及び信号モニタ回路１０７へ出力される。ＭＯＳトランジスタＭ１１のゲート電極には、第１の増幅回路を駆動するための所定の電圧ＶＢ１が電圧生成回路１０３から印加される。スイッチＳＷＲＥＳ、ＳＷＦＴ１１はそれぞれ信号φＲＥＳ、φＦＴ１１によりオン／オフ制御される。

記憶回路２０２は信号保持容量ＣＳ、ＭＯＳトランジスタＭ２１、Ｍ２２、スイッチＳＷＦＴ２１、ＳＷＦＴ２２、ＳＷＰＨｎで構成され手いる。ＭＯＳトランジスタＭ２１、Ｍ２２は第２の増幅回路を構成しており、第２の増幅回路の出力はスイッチＳＷＦＴ２２を介して信号モニタ回路１０７へ出力されると共に、スイッチＳＷＰＨｎを介して信号ＯＵＴnとして出力回路１０６へ出力される。ＭＯＳトランジスタＭ２１のゲート電極には、第２の増幅回路を駆動するための所定の電圧ＶＢ２が電圧生成回路１０３から保持回路１０４を介して印加される。スイッチＳＷＦＴ２１、ＳＷＦＴ２２はそれぞれ信号φＦＴ２１、φＦＴ２２によりオン／オフ制御される。信号φＰＨｎはシフトレジスタ１０５の出力信号であり、スイッチＳＷＰＨｎをオン／オフ制御する。

遮光画素も画素２０１と同一の構成をしており、対応する記憶回路２０２を有し、各ＭＯＳトランジスタ及び各スイッチは、各信号に対して同様の動作をする。

図３は、信号モニタ回路１０７の回路図の一例を示す。信号モニタ回路１０７は、最大値検出回路３０１、最小値検出回路３０２、増幅器Ａ３１、スイッチＳＷＭＡＸ、ＳＷＭＩＮ、ＳＷＤＫ３１、ＳＷＤＫ３２、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４で構成される。ＶＲＥＦは基準電圧である。スイッチＳＷＭＡＸ、ＳＷＭＩＮ、ＳＷＤＫ３１、ＳＷＤＫ３２はそれぞれ信号φＭＡＸ、φＭＩＮ、φＤＫ３１、φＤＫ３２によりオン／オフ制御され、増幅器Ａ３１への入力を制御する。ここでは信号φＭＡＸ、φＭＩＮをオン、信号φＤＫ３１、φＤＫ３２をオフとして説明する。

最大値検出回路３０１により入力信号のうち最も大きな信号（ＶＭＡＸ）を検出し、最小値検出回路３０２により入力信号のうち最も小さな信号（ＶＭＩＮ）を検出する。説明を簡単にするため、ここでは抵抗Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４の抵抗値がすべて等しいとすると、差分信号ＶＤＩＦは下記の式（１）で表わされる。
ＶＤＩＦ＝ＶＲＥＦ＋（ＶＭＡＸ−ＶＭＩＮ） …（１）

この差分信号ＶＤＩＦを蓄積停止判定回路１０８へ出力する。
このとき、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４の値を変え、差分信号を増幅して出力してもよい。また、信号φＭＡＸ、φＭＩＮ、φＤＫ３１、φＤＫ３２を制御し、遮光画素の出力とＶＭＡＸおよびＶＭＩＮとの差分を出力することもできる。

図４は出力回路１０６の回路図の一例を示す。出力回路１０６は、増幅器Ａ４１、Ａ４２、Ａ４３、容量Ｃ４１、Ｃ４２、スイッチＳＷ４１、ＳＷ４２、ＳＷ４３、ＳＷ４４、ＳＷ４５、ＳＷ４６、ＳＷ４７、ＳＷ４８、抵抗Ｒ４１、Ｒ４３、可変抵抗Ｒ４２、Ｒ４４で構成されている。スイッチＳＷ４１、ＳＷ４２、ＳＷ４３、ＳＷ４４、ＳＷ４５、ＳＷ４６、ＳＷ４７、ＳＷ４８は、信号φ４１、φ４２，φ４３、φ４４，φ４５、φ４６，φ４７、φ４８にそれぞれオン／オフ制御される。また、可変抵抗Ｒ４２、Ｒ４４の抵抗値は、信号φＲ４２、φＲ４４にそれぞれ制御される。記憶回路部１０２の出力で、シフトレジスタ１０５で選択された出力がスイッチＳＷ４７を介して増幅器Ａ４１に接続され、信号モニタ回路１０７の出力がスイッチＳＷ４８を介して増幅器Ａ４１に接続されている。ＡＲＥＦ１、ＡＲＥＦ２はそれぞれ基準電位である。

以下、上記構成を有する固体撮像装置１００の動作について、図５を用いて説明する。なお、図５に示す各信号は、シフトレジスタ１０５及び公知のタイミング発生器（不図示）などの制御回路によりオン／オフのタイミングが制御される。ここでは、図３における信号φＭＡＸ、φＭＩＮをオン、信号φＤＫ３１、φＤＫ３２をオフとする。

まず、図２に示す画素２０１のスイッチＳＷＲＥＳ、ＳＷＦＴ１１、記憶回路２０２のＳＷＦＴ２１をオンして、ＭＯＳトランジスタＭ１２、Ｍ２２のゲート電位をリセットする。その後、スイッチＳＷＲＥＳ、ＳＷＦＴ２１をオフとしてフォトダイオードＰＤから光電変換された電荷の蓄積を開始する。

電荷蓄積中は、スイッチＳＷＦＴ１１をオンとして、センサ部１０１の第１の増幅回路から信号モニタ回路１０７へ信号を出力する。このとき、電圧ＶＢ１から発生するノイズは複数の画素の出力に対し一律に重畳している。このノイズをＮ１とすると、信号モニタ回路１０７の出力信号である差分信号ＶＤＩＦは下記の式（２）で表わされる。
ＶＤＩＦ＝ＶＲＥＦ＋｛（ＶＭＡＸ＋Ｎ１）−（ＶＭＩＮ＋Ｎ１）｝
＝ＶＲＥＦ＋（ＶＭＡＸ−ＶＭＩＮ） …（２）

式（２）から分かるように、ノイズ成分Ｎ１が除去された差分信号が蓄積停止判定回路１０８へ出力されるため、電荷蓄積状態に応じた精度の高い蓄積停止判定を行うことができる。また、遮光画素の出力との差分信号を出力しても、同様にノイズ成分が除去される。
図６は、信号モニタ回路１０７の出力信号である差分信号の信号量と蓄積時間の関係を示している。蓄積時間０が蓄積開始タイミングであり、時間が経過するほど差分信号は増加していく。蓄積停止判定回路１０８は、差分信号と蓄積停止レベルとを比較判定し、差分信号が蓄積停止レベルよりも大きくなった時点で、センサ部１０１の電荷蓄積を停止するためにセンサ部１０１へ蓄積停止信号を出力する。

ここで電荷蓄積時に電圧ＶＢ１を保持回路１０４と同様の回路で保持をしたとすると、電荷蓄積時間が長い場合は、電圧ＶＢ１を保持した電荷がリークしてしまい、センサ部１０１の第１の増幅回路へ供給する電圧が変動してしまう。これにより、第１の増幅回路の出力も変動してしまい、精度の高い蓄積停止判定ができなくなってしまう。本実施の形態においては、ノイズ成分Ｎ１が除去された差分信号で蓄積停止判定をしているため、保持回路による回路規模の増大もなく、精度の高い蓄積停止判定をしている。

センサ部１０１は蓄積停止信号によりスイッチＳＷＦＴ２１をオンし、蓄積した電荷に応じた電圧を第１の増幅回路より出力し、記憶回路部１０２の記憶回路２０２の容量ＣＳを充電する（信号書き込み）。信号書き込みが終了すると、スイッチＳＷＦＴ１１、ＳＷＦＴ２１をオフし、容量ＣＳで信号を保持する。このスイッチのオフ動作は、全画素に対して同じタイミングであるため、電圧ＶＢ１から発生するノイズは全画素の出力に対し一律に重畳している。このノイズをＮ２とする。

次にスイッチＳＷＦＴ２２をオン、スイッチＳＷＶＢ２をオフとし、記憶回路部１０２から信号モニタ回路１０７へ信号を出力する。保持回路１０４の容量ＣＶＢ２には、電圧ＶＢ２と、スイッチＳＷＶＢ２をオフしたタイミングで電圧ＶＢ２に重畳したノイズＮ３が保持されている。従って、記憶回路２０２の第２の増幅回路からは、容量ＣＳに保持された信号に対応する電圧に、ノイズＮ２、Ｎ３に対応する信号Ｎ４（＝Ｎ２＋Ｎ３）が重畳し出力される。このとき、複数の記憶回路２０２の出力に対し、Ｎ４は一律に重畳している。信号モニタ回路１０７では、記憶回路部１０２の出力信号の最小値（ＶＭＩＮ＋Ｎ４）を検出し、出力回路１０６へ出力する。

このとき、図４の出力回路１０６においては、スイッチＳＷ４１、ＳＷ４３、ＳＷ４４、ＳＷ４６、ＳＷ４８がそれぞれオンであり、容量Ｃ４１には、ＶＭＩＮ＋Ｎ４−ＡＲＥＦ１の電圧値に相当する電荷が充電される。また、容量Ｃ４２には、ＡＲＥＦ１−ＡＲＥＦ２の電圧値に相当する電荷が充電される（信号クランプ）。

次にスイッチＳＷ４１、ＳＷ４３、ＳＷ４４、ＳＷ４６、ＳＷ４８をオフとし、スイッチＳＷ４２、ＳＷ４５、ＳＷ４７をオンとする。また、増幅器Ａ４２、Ａ４３のゲインがそれぞれ所定の値になるようにφＲ４２、φＲ４４を設定し、可変抵抗の抵抗値を制御する。ここで、増幅器Ａ４２の出力ゲインは
Ｇ１＝（１＋Ｒ４２／Ｒ４１）

であり、増幅器Ａ４３の出力ゲインは
Ｇ２＝（１＋Ｒ４４／Ｒ４３）
である。
シフトレジスタ１０５により記憶回路２０２のスイッチＳＷＰＨ１−ＳＷＰＨｎが逐次的にオンとされ、記憶回路部１０２から信号ＯＵＴ１−ＯＵＴｎが逐次的に出力される（信号読み出し）。

このとき記憶回路２０２の容量ＣＳに保持された信号に対応する第２の増幅回路の出力電圧をＶＯＵＴｎとすると、ノイズが重畳した記憶回路２０２の出力はＶＯＵＴｎ＋Ｎ４となるため、出力回路１０６からの出力は以下の式（３）で表わされる。
出力＝Ｇ１×Ｇ２×｛ＶＯＵＴｎ＋Ｎ４−（ＶＭＩＮ＋Ｎ４）｝＋ＡＲＥＦ２
＝Ｇ１×Ｇ２×（ＶＯＵＴn−ＶＭＩＮ）＋ＡＲＥＦ２ …（３）

図７は出力回路１０６の出力信号とノイズの関係を示す概念図である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、出力回路１０６の出力信号からは、電圧ＶＢ２で発生したノイズ成分が除去されている。

ここで最小値信号の代わりに、信号φＭＡＸ、φＭＩＮ、φＤＫ３１、φＤＫ３２を制御し、遮光画素の出力を減じて出力信号を生成しても同様の効果が得られる。

以上のように、本実施形態では、記憶回路部１０２からの信号出力時に、第２の増幅回路を駆動するための電圧を容量で保持することにより、逐次信号出力時に発生するノイズを除去することができ、ＳＮ比の高い出力信号を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (7)

1. 入射光を光電変換して得られた電荷を蓄積して出力する複数の画素と、
   前記複数の画素から出力された信号を記憶する、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数の記憶回路と、
   前記複数の記憶回路に記憶された信号を増幅して逐次的に出力する複数の増幅回路と、
   所定の電圧を供給する電圧生成回路と、
   前記電圧生成回路からの前記電圧を保持する容量を有する保持回路と、
   前記複数の画素で電荷を蓄積中、前記電圧生成回路から供給される前記電圧を前記複数の増幅回路に供給し、前記複数の増幅回路により前記複数の記憶回路に保持された信号を出力する間、前記電圧生成回路から供給される前記電圧を前記複数の増幅回路に供給せずに、前記保持回路の前記容量に保持された前記電圧を前記複数の増幅回路に供給するように制御する制御手段と、
   前記複数の増幅回路から出力された信号のうちの最も小さい信号を、前記複数の増幅回路から出力された信号から減じて出力する出力回路と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の画素の各々は、前記蓄積された電荷を増幅して前記記憶回路に出力する増幅回路を更に有し、該増幅回路は、前記電圧生成回路から前記所定の電圧を供給されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素から出力された複数の信号から、前記複数の画素における蓄積状態をモニタする信号モニタ回路を有し、
   前記信号モニタ回路が所定の蓄積状態であることを判定すると、前記複数の画素から出力された信号を前記複数の記憶回路に記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記信号モニタ回路は、前記複数の信号のうち、最も大きい信号と最も小さい信号との差分信号から蓄積状態をモニタすることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の画素は遮光された画素を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の画素が前記複数の記憶回路に信号を出力する際に、前記電圧生成回路から供給される前記電圧を前記複数の増幅回路に供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記保持回路は、前記容量と前記電圧生成回路との間に設けられたスイッチを有し、
   前記制御手段は、前記複数の画素で電荷を蓄積中、前記スイッチをオンし、前記複数の増幅回路により前記複数の記憶回路に保持された信号を出力する間、前記スイッチをオフすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

Images