JP2012239010A - Solid state image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
これまで一般にカメラといえばフィルム型のものが主流であったが、最近になってデジタル型のカメラがそれに取って代わっている。デジタルカメラにおける画質の向上は著しく、最新型のデジタルカメラでは、フィルムカメラをしのぐ性能になってきている。デジタルカメラには、CCD(Charge Coupled Device)方式やCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)方式のイメージセンサが搭載されている。 Until now, film-type cameras have been the mainstream, but recently, digital cameras have been replaced by digital cameras. The improvement in image quality of digital cameras is remarkable, and the latest digital cameras have surpassed the performance of film cameras. The digital camera is equipped with a CCD (Charge Coupled Device) type or CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) type image sensor.
CMOS方式のイメージセンサでは、画素ごとにフォトダイオード、フローティングディフュージョン、および増幅トランジスタなどが設けられる。フォトダイオードで発生した電荷がフローティングディフュージョンに蓄積され、蓄積された電荷に応じた電圧信号が増幅トランジスタから出力される。 In a CMOS image sensor, a photodiode, a floating diffusion, an amplification transistor, and the like are provided for each pixel. The electric charge generated in the photodiode is accumulated in the floating diffusion, and a voltage signal corresponding to the accumulated electric charge is output from the amplification transistor.
CMOS方式は画素毎に固定した増幅トランジスタが割り当てられるため、増幅トランジスタごとの固定パターンノイズが発生し、CCD方式に対して画質に劣る面があった。しかしながら、近年においてはCDS(Correlated Double Sampling)等の補正技術の進歩によりCCD以上の画質を得るようになってきている。その結果、CMOS方式の利点である大きいサイズで設計可能な点や、コスト削減が可能な点から、デジタル一眼レフカメラに使われることが多くなっている。 In the CMOS method, since a fixed amplification transistor is assigned to each pixel, fixed pattern noise is generated for each amplification transistor, and the image quality is inferior to that of the CCD method. However, in recent years, an image quality higher than that of a CCD has been obtained due to the progress of correction techniques such as CDS (Correlated Double Sampling). As a result, it is increasingly used in digital single-lens reflex cameras because it can be designed in a large size, which is an advantage of the CMOS method, and can reduce costs.
最近では、デジタルカメラとビデオカメラはお互いに相手の機能の取り込みが行われている。すなわち、デジタルカメラの動画への対応、ビデオカメラの静止画への対応である。デジタル一眼レフカメラにおいても、その特徴を生かして高画質のフルハイビジョン(Full−HD:Full High Definition)動画への対応が必須の機能となりつつある。 Recently, digital cameras and camcorders have captured each other's functions. That is, it corresponds to the moving picture of the digital camera and the still picture of the video camera. In digital single-lens reflex cameras, it is becoming an essential function to support high-quality full-high definition (Full-HD) moving images by taking advantage of the features.
特開2009−33316号公報(特許文献1)は、複数の画素に蓄積された電荷を所定個数の画素毎に混合して読み出す画素混合について開示するものである。画素混合は、ビデオカメラよりも画素数が多い高解像度のデジタルカメラを用いて動画像の撮影を行なう際に必須の技術である。 Japanese Patent Laying-Open No. 2009-33316 (Patent Document 1) discloses pixel mixing in which charges accumulated in a plurality of pixels are mixed and read for each predetermined number of pixels. Pixel mixing is an indispensable technique when shooting a moving image using a high-resolution digital camera having a larger number of pixels than a video camera.
特開2003−274291号公報(特許文献2)は、画素を選択する走査回路にシフトレジスタを用いた固体撮像装置について開示する。このシフトレジスタは、通常走査および反転走査が可能な複数の転送レジスタから構成され、各転送レジスタはマスタ回路およびスレーブ回路からなる。 Japanese Patent Laying-Open No. 2003-274291 (Patent Document 2) discloses a solid-state imaging device using a shift register in a scanning circuit for selecting pixels. This shift register is composed of a plurality of transfer registers capable of normal scanning and reverse scanning, and each transfer register is composed of a master circuit and a slave circuit.
CMOSイメージセンサによる動画像の撮影では、通常、走査線ごとに順次シャッターを切る(すなわち、行ごとにシャッター動作と信号の読出し動作を行なう)ローリング電子シャッター方式が用いられる。ローリング電子シャッター方式では、1垂直走査期間内に、画素内のフォトダイオードの蓄積電荷をリセットする画素リセット行と、蓄積電荷を読み出す読出行(画素リセット行と異なる)とを選択する必要がある。特に、画素混合を行なう場合には、複数の画素リセット行と複数の読出行とを同じ1垂直走査期間内に選択する必要がある。電荷の吐き出しを十分に行なうために画素リセットを複数回行なう場合にも、同じ1垂直走査期間内に複数の画素リセット行を選択する必要が生じる。このように動画像の撮影では、1垂直走査期間内に多くの画素リセット行および読出行の選択を行なう必要があるので、FULL−HDに対応した高フレームレートの撮影を行なうことは困難である。 In capturing a moving image using a CMOS image sensor, a rolling electronic shutter system is generally used in which shutters are sequentially released for each scanning line (that is, a shutter operation and a signal reading operation are performed for each row). In the rolling electronic shutter system, it is necessary to select a pixel reset row for resetting the accumulated charge of the photodiode in the pixel and a readout row for reading the accumulated charge (different from the pixel reset row) within one vertical scanning period. In particular, when pixel mixing is performed, it is necessary to select a plurality of pixel reset rows and a plurality of readout rows within the same one vertical scanning period. Even when the pixel reset is performed a plurality of times in order to sufficiently discharge charges, it is necessary to select a plurality of pixel reset rows within the same vertical scanning period. As described above, in moving image shooting, since it is necessary to select many pixel reset rows and readout rows within one vertical scanning period, it is difficult to perform shooting at a high frame rate corresponding to FULL-HD. .
したがって、この発明の目的は、従来よりも高フレームレート化が可能な固体撮像装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of achieving a higher frame rate than before.
この発明の実施の一形態による固体撮像装置は、複数の画素部と、複数の水平信号線と、複数の駆動回路と、制御回路とを備える。複数の画素部は、行列状に配列され、各々が光電変換素子を含む。複数の水平信号線は、複数の画素部の行にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の行に含まれる各画素部と接続される。複数の駆動回路は、複数の水平信号線にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の水平信号線に接続された各画素部を駆動するための駆動信号を対応の水平信号線を介して出力する。制御回路は、複数の画素部の行のうち対応する行が選択行であるか否かを示す行選択信号を、複数の駆動回路の各々に出力する。複数の駆動回路の各々は、行選択信号に基づいてセット状態になる第1のラッチ回路と、第1のラッチ回路の状態に基づいてセット状態になる第2のラッチ回路とを含む。駆動信号は、第2のラッチ回路の状態に基づいて出力される。 A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of pixel units, a plurality of horizontal signal lines, a plurality of drive circuits, and a control circuit. The plurality of pixel portions are arranged in a matrix, and each includes a photoelectric conversion element. The plurality of horizontal signal lines are provided corresponding to the rows of the plurality of pixel portions, respectively, and each is connected to each pixel portion included in the corresponding row. The plurality of driving circuits are provided corresponding to the plurality of horizontal signal lines, respectively, and drive signals for driving the respective pixel units connected to the corresponding horizontal signal lines via the corresponding horizontal signal lines. Output. The control circuit outputs a row selection signal indicating whether or not a corresponding row among the rows of the plurality of pixel portions is a selected row to each of the plurality of drive circuits. Each of the plurality of drive circuits includes a first latch circuit that is set based on a row selection signal and a second latch circuit that is set based on the state of the first latch circuit. The drive signal is output based on the state of the second latch circuit.
上記の実施の形態によれば、対応の行に設けられた各画素部を第1および第2のラッチ回路を用いて駆動することにより、高フレームレートの固体撮像装置を実現することができる。 According to the above-described embodiment, a high frame rate solid-state imaging device can be realized by driving each pixel unit provided in a corresponding row using the first and second latch circuits.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
<実施の形態1>
[イメージセンサの基本構成]
図1は、この発明の実施の形態1によるイメージセンサ(固体撮像装置)の構成を示すブロック図である。図1を参照して、イメージセンサは、画素アレイ1、垂直走査部2、水平走査部3、タイミングジェネレータ4、出力回路5、複数の水平信号線LR,LT1,LT0,LS,LF、および複数の垂直信号線LVを含む。
<
[Basic configuration of image sensor]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an image sensor (solid-state imaging device) according to
(画素アレイの構成)
図2は、画素アレイ1の構成を示すブロック図である。画素アレイ1は、複数行複数列に配置された複数の画素部10を含む。画素アレイ1を構成する複数の画素部10の行にそれぞれ対応して、水平信号線LR,LT1,LT0,LS,LFが設けられ、画素アレイ1を構成する複数の画素部10の列にそれぞれ対応して、垂直信号線LVが設けられる。
(Configuration of pixel array)
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
図3は、図1の画素アレイ1に設けられた各画素部10の構成の1例を示す回路図である。図3を参照して、各画素部10は、2つのフォトダイオード(光電変換素子)11A,11Bと、2つの転送トランジスタ12A,12Bと、リセットトランジスタ13と、増幅トランジスタ14と、選択トランジスタ15と、FD連結トランジスタ16とを含む。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the configuration of each
フォトダイオード11A,11Bは、入射光の強度に応じた量の負電荷を蓄える。フォトダイオード11A,11Bのアノードは接地ノードGNDに接続され、そのカソードは転送トランジスタ12A,12Bを介してフローティングディフュージョンFDに接続される。フローティングディフュージョンFDは、画素から読み出された負電荷を電圧に変換する部分である。転送トランジスタ12A,12Bのゲートは、対応の水平信号線LT0、LT1に接続され、転送信号TX0、TX1をそれぞれ受ける。転送トランジスタ12A,12Bは、転送信号TX0,TX1によって選択的にオン状態になる。
The
増幅トランジスタ14および選択トランジスタ15は、電源ノードVCCと対応の垂直信号線LVとの間に直列接続される(なお、電源ノードと電源電圧には同じ参照符号VCCを付す)。増幅トランジスタ14のゲートはフローティングディフュージョンFDに接続される。選択トランジスタ15のゲートは、対応の水平信号線LSに接続され、選択信号SELを受ける。
The
リセットトランジスタ13は、電源ノードVCCと増幅トランジスタ14のゲートとの間に接続される。リセットトランジスタ13のゲートは、対応の水平信号線LRに接続され、リセット信号RSTを受ける。
The
FD連結トランジスタ16は、垂直方向に隣接する画素のフローティングディフュージョンFD間に接続される。FD連結トランジスタ16のゲートは、対応の水平信号線LFに接続され、FD連結信号FDSWを受ける。FD連結トランジスタ16を備えている理由は垂直画素混合を実現するためである。垂直方向のフローティングディフュージョンFDを所定数連結することによって、複数のフォトダイオードから読み出される負電荷を連結したFDで混合する。画素混合により1画素当たりの面積が増加したことと同等になり画質が向上する。
The
上記の画素部10の構造は、転送トランジスタ12A,12Bを除く他の4つのトランジスタ(リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14、選択トランジスタ15、FD連結トランジスタ16)を2つのフォトダイオード11A,11Bで共用する3Tr型である。「3Tr型」の係数「3」は、1つのフォトダイオードあたりのトランジスタ数を意味する。
In the structure of the
次に画素部10の動作について簡単に説明する。なお、以下の説明では、転送信号TX0を「H」(ハイ)レベルにして転送トランジスタ12Aをオン状態にすることによって、フォトダイオード11Aに発生した負電荷を読み出す場合について示す。転送信号TX1を「H」レベルにして転送トランジスタ12Bをオン状態にすることによって、フォトダイオード11Bに発生した負電荷を読み出す場合についても同様である。
Next, the operation of the
画素リセット動作時は、転送信号TX0およびリセット信号RSTを「H」レベルにしてトランジスタ12A,13をオンさせ、フォトダイオード11Aに蓄えられた負電荷をリセットする。転送信号TX0およびリセット信号RSTを「L」(ロー)レベルにしてトランジスタ12A,13をオフさせると、入射光の強度に応じた量の負電荷がフォトダイオード11Aに蓄えられる。
During the pixel reset operation, the transfer signal TX0 and the reset signal RST are set to the “H” level to turn on the
読出動作時は、選択信号SELを「H」レベルにして選択トランジスタ15をオンさせる。次に、リセット信号RSTを所定時間だけ「H」レベルにしてリセットトランジスタ13をオンさせ、フローティングディフュージョンFDを電源電圧VCCよりもリセットトランジスタ13のしきい値電圧だけ低い電圧にリセットする。このときトランジスタ14,15を介して暗信号(基準信号)が垂直信号線LVに生成される。
During the read operation, the selection signal SEL is set to “H” level to turn on the
次いで、転送信号TXを所定時間だけ「H」レベルにして転送トランジスタ12Aをオンさせ、フォトダイオード11AのカソードをフローティングディフュージョンFDに接続する。このときトランジスタ14,15を介して光信号が垂直信号線LVに生成される。暗信号は光信号を補正するために使用される。
Next, the transfer signal TX is set to “H” level for a predetermined time to turn on the
(その他の周辺回路の構成)
再び図1を参照して、タイミングジェネレータ4は、垂直走査部2にクロック、行選択アドレスおよび制御信号を与えるとともに、水平走査部3に列選択アドレスおよび制御信号を与える。
(Other peripheral circuit configurations)
Referring again to FIG. 1, timing generator 4 provides a clock, a row selection address, and a control signal to
垂直走査部2は、垂直走査回路および電圧レベルシフト回路の機能を有する。垂直走査部2は、行選択アドレスおよび制御信号に従って、画素アレイ1の複数行を順次選択し、選択した行の水平信号線LR,LT1,LT0,LS,LFを介して、その行の各画素部10にリセット信号RST、転送信号TX1、TX0、選択信号SELおよびFD連結信号FDSW(以下、これらの信号を総称する場合、「画素駆動信号」と記載する)を所定のタイミングで与える。
The
図6〜図9を参照して後述するように、垂直走査部2には、画素アレイ1の行ごとに、各画素駆動信号に個別に対応するラッチ回路(マスタラッチ回路およびスレーブラッチ回路)が設けられる。ある行に画素駆動信号を供給する場合には、その行に対応するラッチ回路をセット状態にする。
As will be described later with reference to FIGS. 6 to 9, the
水平走査部3は、水平走査回路およびカラム回路の機能を有する。水平走査部3は、垂直走査部2によって選択された行に含まれる複数の画素部10の各々から各垂直信号線LVに出力された複数の暗信号および光信号を受信する。カラム回路は、垂直信号線LVごとに受信した光信号を暗信号で補正する。
The
出力回路5は、水平走査部3で生成された複数の補正後の光信号を外部に出力する。
画素アレイ1とタイミングジェネレータ4などの周辺回路とでは電源電圧が異なる。画素アレイ1では性能に関係した飽和電子量を確保するため高い電源電圧が必要であり、周辺回路では電源電圧を低くすることで微細プロセスを使うことができる。これによって、消費電力および回路面積の削減が可能となる。このため、垂直走査部2には電圧レベルシフト回路が設けられている。
The output circuit 5 outputs a plurality of corrected optical signals generated by the
The power supply voltage is different between the
[画素混合]
図4は、垂直3画素混合を説明するための図である。
[Pixel mixture]
FIG. 4 is a diagram for explaining vertical three-pixel mixing.
図4(A)を参照して、一般的なCMOSイメージセンサの画素配列はベイヤー配列となっている。ベイヤー配列では、各画素には赤(R)、緑(G),青(B)のうち1色が割り当てられる。そして、緑(G)の画素が市松模様に配置され、これらの緑色の画素の間に赤(R)の画素と青(B)の画素とが配設される。図4において、赤(R)の画素に対して水平方向に隣接する緑の画素をGrと記載し、青(B)の画素に対して水平方向に隣接する緑の画素をGbと記載する。なお、垂直方向に隣接する2個の画素が、図2に示す1つの画素部10に含まれる。すなわち、図2において、画素部10の各行が2行の画素行に相当する。
Referring to FIG. 4A, the pixel array of a general CMOS image sensor is a Bayer array. In the Bayer array, each pixel is assigned one color among red (R), green (G), and blue (B). The green (G) pixels are arranged in a checkered pattern, and the red (R) pixel and the blue (B) pixel are arranged between the green pixels. In FIG. 4, a green pixel adjacent to the red (R) pixel in the horizontal direction is described as Gr, and a green pixel adjacent to the blue (B) pixel in the horizontal direction is described as Gb. Note that two pixels adjacent in the vertical direction are included in one
ベイヤー配列で3画素混合を実現するためには1画素おきに3画素を選択する必要がある。本実施の形態の画素部10は、垂直方向の2画素で1つのフローティングディフュージョンFDを共用している構造であるので、垂直方向のフローティングディフュージョンFDを複数個連続して接続することによって垂直画素混合を実現することができる。
In order to realize the mixing of three pixels by the Bayer array, it is necessary to select three pixels every other pixel. Since the
具体的に、図4の場合には、3つのフローティングディフュージョンFDの間に設けられた2つのFD連結トランジスタ16をオン状態にすることによって、垂直方向に3つのフローティングディフュージョンFDを連結する。そして、垂直走査部2より出力された画素駆動信号によって3行の同色の画素をアクティブ状態にする。この結果、図4(B)に示すように、RおよびGrの各々について、垂直3画素に蓄積された電荷を3つの連結されたフローティングディフュージョンFDによって混合することができる。
Specifically, in the case of FIG. 4, the three floating diffusions FD are connected in the vertical direction by turning on the two
図5は、垂直3画素混合時のタイミング図である。図5(A)には画素リセット動作時のタイミング図が示され、図5(B)には読出動作時のタイミング図が示される。図5(A)、図5(B)において時刻t1から時刻t8までを1垂直走査期間(「1H」と記載する)と称する。1垂直走査期間は、画素リセット動作および読出動作を行なうときの単位となっている。 FIG. 5 is a timing chart when three vertical pixels are mixed. FIG. 5A shows a timing chart during the pixel reset operation, and FIG. 5B shows a timing chart during the reading operation. In FIGS. 5A and 5B, a period from time t1 to time t8 is referred to as one vertical scanning period (referred to as “1H”). One vertical scanning period is a unit for performing pixel reset operation and readout operation.
図5(A)を参照して、画素リセット動作時には、選択信号SELは常に「L」レベルであるので、図3の選択トランジスタ15は常時オフ状態である。最初に、時刻t3から時刻t4の間でリセット信号RSTが「H」レベルになることによって、図3のリセットトランジスタ13がオン状態になる。次に、時刻t5から時刻t6の間で、たとえば、第1行目、第3行目および第5行目の画素行に対応する転送信号TX0が同時にオン状態になることによって、これらの画素行に対応する画素部に設けられた転送トランジスタ12Aがオン状態になる。通常、フォトダイオードのカソードとフローティングディフュージョンに蓄積された電荷(電子)を十分に吐き出すために、画素リセット動作は複数回(たとえば、5回)繰返される。
Referring to FIG. 5A, during the pixel reset operation, the selection signal SEL is always at the “L” level, so that the
図5(B)を参照して、読出動作時には、選択信号SELが「H」レベルになることによって、図3の選択トランジスタ15は、時刻t2から時刻t7までの間、オン状態に維持される。最初に、時刻t3から時刻t4の間で、第1行目、第3行目および第5行目の画素行に対応するリセット信号RSTが「H」レベルになることによって、図3のリセットトランジスタ13がオン状態になる。次に、時刻t5から時刻t6の間で、たとえば、第1行目、第3行目および第5行目の画素行に対応する転送信号TX0が同時にオン状態になることによって、これらの画素行に対応する画素部に設けられた転送トランジスタ12Aがオン状態になる。
Referring to FIG. 5B, during the read operation, selection signal SEL is set to “H” level, whereby
[ローリング電子シャッター]
図6は、ローリング電子シャッターによって動画を撮影するときの垂直走査部2の動作を説明するための図である。図6において、縦軸は画素アレイの行を示し、横軸は垂直走査期間の単位で表わした時間を示す。図中で画素リセット動作を「RS」で示し、読出動作を「RD」で表わす。
[Rolling electronic shutter]
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the
CMOSイメージセンサでは、画素信号の読み出しは行ごとにしか実行できない。このため、CMOSイメージセンサによる動画像の撮影では、通常、走査線ごとに順次シャッターを切る(すなわち、行ごとにシャッター動作と信号の読出し動作を行う)ローリング電子シャッター方式が用いられる。読出動作の前に行なわれる画素リセット動作も行ごとに行なう必要がある。 In the CMOS image sensor, the pixel signal can be read only for each row. For this reason, in capturing moving images with a CMOS image sensor, a rolling electronic shutter system is generally used in which the shutter is sequentially released for each scanning line (that is, the shutter operation and the signal reading operation are performed for each row). It is also necessary to perform a pixel reset operation performed before each read operation for each row.
さらに、高画素数のデジタルカメラで動画像を撮影するためには画素混合または画素間引きが必要となる。たとえば、1000万(10M)画素(3600(H)×2800(V))のデジタルカメラでFull−HD(1920(H)×1080(V))の動画データを出力するためには、データ量を1/2以上削減する必要がある。画素混合は等価的に受光面の面積が増加するため、暗い場所での高感度撮影に有利であるが、空間解像度が低下する欠点がある。撮影場所が明るく低感度撮影で十分ではあるが、高い空間解像度が必要な場合には、画素間引きが行われる。撮影条件により画素混合と画素間引きを使い分けることが望ましい。図6では、垂直3画素混合によって読出動作を行なう場合が示される。 Furthermore, pixel mixing or pixel thinning is necessary to capture a moving image with a digital camera having a high pixel count. For example, in order to output Full-HD (1920 (H) × 1080 (V)) moving image data with a digital camera having 10 million (10M) pixels (3600 (H) × 2800 (V)), the amount of data is reduced. It is necessary to reduce by 1/2 or more. Pixel mixing is equivalent to an increase in the area of the light-receiving surface, which is advantageous for high-sensitivity imaging in a dark place, but has the disadvantage of reducing spatial resolution. If the shooting location is bright and low-sensitivity shooting is sufficient, pixel thinning is performed when high spatial resolution is required. It is desirable to use pixel mixing and pixel thinning properly depending on the shooting conditions. FIG. 6 shows a case where a reading operation is performed by mixing three vertical pixels.
図6を参照して、第1行目、第3行目、第5行目の各画素行に対応する画素部において、垂直走査期間T1からT5までの間に、画素リセット動作が5回連続して行なわれる。垂直走査期間T6からT10までの間の露光時間が経過した垂直走査期間T11に、読出動作が行なわれる。画素リセット動作を複数回行なう理由は、画素に蓄積された電荷を十分に吐き出すためである。第4行目、第6行目、第8行目の各画素行に対応する画素部についても同様に、垂直走査期間T2からT6までの間に、画素リセット動作がそれぞれ連続して5回行なわれる。垂直走査期間T7からT11までの間の露光時間が経過した垂直走査期間T12に、読出動作が行なわれる。 Referring to FIG. 6, in the pixel portions corresponding to the first row, the third row, and the fifth row, the pixel reset operation is continued five times during the vertical scanning period T1 to T5. It is done. The reading operation is performed during the vertical scanning period T11 in which the exposure time between the vertical scanning periods T6 and T10 has elapsed. The reason for performing the pixel reset operation a plurality of times is to sufficiently discharge the charge accumulated in the pixel. Similarly, for the pixel portions corresponding to the pixel rows of the fourth row, the sixth row, and the eighth row, the pixel reset operation is continuously performed five times during the vertical scanning period T2 to T6. It is. The readout operation is performed during the vertical scanning period T12 in which the exposure time between the vertical scanning periods T7 and T11 has elapsed.
従来の固体撮像装置では、画素リセット動作を行なう行(画素リセット行)と、読出動作を行なう行(読出行)とを垂直走査期間ごとにそのつど選択する必要あった。したがって、上記の場合には、第1行目、第3行目、第5行目だけでも、垂直走査期間T1〜T5,T11で合計6回の行選択を行なう必要があり、動作時間および動作電流の点で無駄が多かった。 In a conventional solid-state imaging device, it is necessary to select a row for performing a pixel reset operation (pixel reset row) and a row for performing a read operation (readout row) for each vertical scanning period. Therefore, in the above case, it is necessary to select a total of six rows in the vertical scanning periods T1 to T5 and T11 only in the first row, the third row, and the fifth row. There was a lot of waste in terms of current.
本実施の形態による固体撮像装置では、図8、図9を参照して後述するように、垂直走査部2には、ラッチ回路(マスタラッチ回路、スレーブラッチ回路)が設けられる。このため、画素リセット動作の開始時にラッチ回路をセット状態にすることによってリセット行が選択される(図6では「RS」を太線の枠で囲むことによって行選択開始を表わす)。画素リセット動作の終了時にラッチ回路をリセット状態にすることによってリセット行の選択が解除される(図6では、行選択解除を「UL」で表わす)。読出動作「RD」についても同様である。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 8 and 9, the
なお、より正確には、図12を参照して後述するように、マスタラッチ回路とスレーブラッチ回路とを用いたパイプライン動作によって行選択の開始および解除が行なわれる。たとえば、第1行目、第3行目、第5行目の各画素行に対応する画素部に対して、垂直走査期間T0,T10にマスタラッチ回路がセット状態になり、垂直走査期間T1,T11にスレーブラッチ回路がセット状態になる。 More precisely, as will be described later with reference to FIG. 12, row selection is started and canceled by a pipeline operation using a master latch circuit and a slave latch circuit. For example, the master latch circuit is set in the vertical scanning periods T0 and T10 for the pixel portions corresponding to the first, third and fifth pixel rows, and the vertical scanning periods T1 and T11 are set. The slave latch circuit enters the set state.
図7は、ローリング電子シャッター方式による画素リセット動作および読出動作を模式的に示すタイミング図である。図7の縦軸は画素アレイの行番号を示し、横軸は時間を示す。行番号の最大はNmaxであり、最小は1である。図7では、画素混合および画素間引きがいずれも行なわれない場合が示される。 FIG. 7 is a timing chart schematically showing a pixel reset operation and a read operation by the rolling electronic shutter method. The vertical axis in FIG. 7 indicates the row number of the pixel array, and the horizontal axis indicates time. The maximum line number is Nmax, and the minimum is 1. FIG. 7 shows a case where neither pixel mixing nor pixel thinning is performed.
図7を参照して、ある垂直走査期間Thにおいて、第Na行から第Nb行の画素行に対して画素リセット動作が行なわれ、第Nc行の画素行に対して読出動作が行なわれる。この場合、画素リセット動作を開始するために第Na行の画素行のアドレス選択を行ない、画素リセット動作を終了するために第Nb−1行の画素行のアドレス選択を行なう。さらに、読出動作のために第Nc行の画素行のアドレス選択を行ない、読出動作の解除のために第Nc−1行の画素行のアドレス選択を行なう。図1のタイミングジェネレータ4は、行選択アドレスを順次出力するので、これらのアドレス選択はシリアルに行われる。したがって、垂直走査期間ごとに4回の行アドレス選択が必要になる。垂直3画素混合を行なう場合には、垂直走査期間ごとに12回の行アドレス選択が必要になる。 Referring to FIG. 7, in a certain vertical scanning period Th, a pixel reset operation is performed on the pixel rows from Na to Nb, and a read operation is performed on the pixel rows of Nc. In this case, the address selection of the pixel row of the Nath row is performed to start the pixel reset operation, and the address selection of the pixel row of the (Nb-1) th row is performed to end the pixel reset operation. Further, the address selection of the pixel row of the Nc-th row is performed for the reading operation, and the address selection of the pixel row of the Nc-th row is performed for canceling the reading operation. Since the timing generator 4 in FIG. 1 sequentially outputs row selection addresses, these address selections are performed serially. Therefore, four row address selections are required for each vertical scanning period. When performing vertical three-pixel mixing, twelve row address selections are required for each vertical scanning period.
[垂直走査部の概略構成]
図8は、図1の垂直走査部2の構成を示すブロック図である。図8を参照して、垂直走査部2は、制御回路80および信号発生回路60を含む。
[Schematic configuration of vertical scanning unit]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the
制御回路80は、図1のタイミングジェネレータ4から、クロック信号CLK、行選択アドレスA12〜A0(13ビット)および制御信号を受ける。制御信号には、マスタラッチセット信号TX_SET,RST_SET,SEL_SET、FDSW_SET、マスタラッチリセット信号TX_RST,RST_RST,SEL_RST、FDSW_RST、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET,RST_TR_SET,SEL_TR_SET、FDSW_TR_SET、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RST,RST_TR_RST,SEL_TR_RST、FDSW_TR_RST、および成形信号TX_DRV,RST_DRV,SEL_DRV、FDSW_DRVが含まれる。
制御回路80は、13ビットの行選択アドレスA12〜A0をプリデコードして、プリデコード後のアドレス信号としてAG<3:0>〜AB<3:0>、AA<1:0>を生成する。たとえば、AG<3:0>は行選択アドレスの上位の2ビットA12,A11を4つの1ビット信号AG<3>,AG<2>,AG<1>,AG<0>に変換したものである。したがって、A12,A11の値に応じて、1ビット信号AG<3>,AG<2>,AG<1>,AG<0>のうちのいずれか1つが「1」となり、残りが「0」となる。他の信号についても同様に、AF<3:0>〜AB<3:0>は、行選択アドレスを2ビットずつ(すなわち、「A10,A9」、「A8,A7」、「A6,A5」、「A4,A3」、「A2,A1」)それぞれプリデコードしたものである。アドレス信号AA<1:0>(AA<1>,AA<0>の2信号)は、行選択アドレスの最下位ビットA1をプリデコードすることによって得られたものである。プリデコード後のアドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>は、制御回路80内に設けられたバッファ回路によって整形される(図8では、信号の末尾に「_B」を付加することによって表わされる)。この明細書では、プリデコード後のアドレス信号を行選択信号とも称する。
The
行選択アドレスのうちの上位6ビットA12〜A7は128行ごとのブロック選択に使用される。プリデコード後のアドレス信号ではAG_B<3:0>〜AE_B<3:0>に相当する。 The upper 6 bits A12 to A7 of the row selection address are used for block selection every 128 rows. The address signal after predecoding corresponds to AG_B <3: 0> to AE_B <3: 0>.
行選択アドレスのうちの中位6ビットA6〜A1は128行ごとのブロック内の選択に使用される。プリデコード後のアドレス信号ではAD_B<3:0>〜AB_B<3:0>に相当する。 The middle 6 bits A6 to A1 of the row selection address are used for selection within the block every 128 rows. The address signal after predecoding corresponds to AD_B <3: 0> to AB_B <3: 0>.
プリデコード後のアドレス信号AA<1:0>(行選択アドレスA0に対応する)は、図3の2つの転送トランジスタ12A、12Bの選択に用いられる。制御回路80内に設けられたTX1およびTX0用信号生成回路は、マスタラッチセット信号TX_SETとマスタラッチリセット信号TX_RSTの各々と、プリデコード後のアドレス信号AA<1>およびAA<0>の各々との論理積を演算する。この結果、TX1およびTX0用の信号として、マスタラッチセット信号TX0_SETとTX1_SET、マスタラッチリセット信号TX1_RST,TX0_RSTが生成される。スレーブラッチセット信号TX_TR_SET、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RSTおよび成形信号TX_DRVは、アドレス信号AA<1:0>と論理積をとらず、TX1およびTX0用の信号としてそのまま同じ信号波形を出力する。これらの制御信号は、制御回路80内に設けられたバッファ回路によって整形される(図8では、信号の末尾に「_B」をつけることによって表わされる)。
The predecoded address signal AA <1: 0> (corresponding to the row selection address A0) is used to select the two
その他の制御信号、すなわち、マスタラッチセット信号RST_SET,SEL_SET,FDSW_SET、マスタラッチリセット信号RST_RST,SEL_RST,FDSW_RST、スレーブラッチセット信号RST_TR_SET,SEL_TR_SET,FDSW_TR_SET、スレーブラッチリセット信号RST_TR_RST,SEL_TR_RST,FDSW_TR_RST、および成形信号RST_DRV,SEL_DRV,FDSW_DRVも、制御回路80内に設けられたバッファ回路によって整形される(図8では、信号の末尾に「_B」をつけることによって表わされる)。 Other control signals, that is, master latch set signals RST_SET, SEL_SET, FDSW_SET, master latch reset signals RST_RST, SEL_RST, FDSW_RST, slave latch set signals RST_TR_SET, SEL_TR_SET, FDSW_TR_SET, slave latch reset signals RST_TR_RST_TR_ST, RST_TR_RST RST_DRV, SEL_DRV, and FDSW_DRV are also shaped by a buffer circuit provided in the control circuit 80 (represented by adding “_B” to the end of the signal in FIG. 8).
さらに、制御回路80は、一部の信号については電圧を変換して、デコード部61〜65に供給する。具体的には、TX1およびTX0用の成形信号TX_DRVは、「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに、「L」レベルを接地電圧GNDから接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに、変換する。成形信号RST_DRV,SEL_DRV,FDSW_DRVは、「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VDDより高い電源電圧に変換する。
Further, the
信号発生回路60は、TX1用デコード部61、TX0用デコード部62、RST用デコード部63、SEL用デコード部64、FDSW用デコード部65、およびブロック選択用ANDゲート36を含む。これらの各要素は、図1の画素アレイ1を構成する複数の画素部10の各行に対応して設けられる。各デコード部61〜65は、対応の行の水平信号線に画素駆動信号を供給する駆動回路として機能する。
The
ブロック選択用ANDゲート36は、ブロック選択に使用しているプリデコード後のアドレスAG_B<3:0>〜AE_B<3:0>のうち各1信号を入力として、入力信号の論理積をブロック選択信号BSとして生成する。全てが「H」レベルの場合に、ブロック選択信号BSは、選択レベルを意味する「H」レベルになる。
The block selection AND
TX1用デコード部61は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_B<3:0>,AC_B<3:0>,AB_B<3:0>、マスタラッチセット信号TX1_SET_B、マスタラッチリセット信号TX1_RST_B、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET_B、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bおよび成形信号TX_DRV_Bを受ける。TX1用デコード部61は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LT1に出力する転送信号TX1を生成する。TX1用デコード部61の詳細は次図9を参照して後述する。
The
TX0用デコード部62は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_B<3:0>,AC_B<3:0>,AB_B<3:0>、マスタラッチセット信号TX0_SET_B、マスタラッチリセット信号TX0_RST_B、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET_B、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bおよび成形信号TX_DRV_Bを受ける。TX0用デコード部62は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LT0に出力する転送信号TX0を生成する。
The
RST用デコード部63は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_B<3:0>,AC_B<3:0>,AB_B<3:0>、マスタラッチセット信号RST_SET_B、マスタラッチリセット信号RST_RST_B、スレーブラッチセット信号RST_TR_SET_B、スレーブラッチリセット信号RST_TR_RST_Bおよび成形信号RST_DRV_Bを受ける。RST用デコード部63は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LRに出力するリセット信号RSTを生成する。
The
SEL用デコード部64は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_B<3:0>,AC_B<3:0>,AB_B<3:0>、マスタラッチセット信号SEL_SET_B、マスタラッチリセット信号SEL_RST_B、スレーブラッチセット信号SEL_TR_SET_B、スレーブラッチリセット信号SEL_TR_RST_Bおよび成形信号SEL_DRV_Bを受ける。SEL用デコード部64は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LSに出力する選択信号SELを生成する。
The
FDSW用デコード部65は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_B<3:0>,AC_B<3:0>,AB_B<3:0>、マスタラッチセット信号FDSW_SET_B、マスタラッチリセット信号FDSW_RST_B、スレーブラッチセット信号FDSW_TR_SET_B、スレーブラッチリセット信号FDSW_TR_RST_Bおよび成形信号FDSW_DRV_Bを受ける。FDSW用デコード部65は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LFに出力するFD連結信号FDSWを生成する。
The
[TX1用デコード部の詳細構成]
図9は、TX1用デコード部61の構成を示す回路図である。他のデコード部62〜65も同様の構成である。
[Detailed Configuration of TX1 Decoding Unit]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the
TX1用デコード部61は、行選択デコード回路71、電圧レベルシフト回路52、成形回路53、および出力バッファ54を含む。行選択デコード回路71は、マスタラッチ回路61Aとスレーブラッチ回路61Bとを含む。
The
マスタラッチ回路61Aは、論理積回路AND1〜AND3、NMOS(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor)トランジスタQ0〜Q3、およびインバータINV1〜INV4を含む。
The
論理積回路AND1は、プリデコード後のアドレス信号AB_B<3:0>のうち1信号とマスタラッチセット信号TX1_SET_Bとの論理積信号を出力する。論理積回路AND2は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AC_B<3:0>のうち1信号、およびプリデコード後アドレスAD_B<3:0>のうち1信号の論理積信号を出力する。論理積回路AND3は、プリデコード後のアドレス信号AB_B<3:0>のうち1信号とマスタラッチリセット信号TX1_RST_Bとの論理積信号を出力する。上記の論理積回路AND1,AND2,AND3の各々によって4つアドレス信号のうちのどの1信号が論理積演算されるかは、行アドレスに応じて異なる。 The AND circuit AND1 outputs a logical product signal of one signal of the predecoded address signal AB_B <3: 0> and the master latch set signal TX1_SET_B. The AND circuit AND2 outputs a logical product signal of the block selection signal BS, one signal of the predecoded address signal AC_B <3: 0>, and one signal of the predecoded address AD_B <3: 0>. . The AND circuit AND3 outputs a logical product signal of one signal of the predecoded address signal AB_B <3: 0> and the master latch reset signal TX1_RST_B. Which one of the four address signals is ANDed by each of the AND circuits AND1, AND2 and AND3 depends on the row address.
NMOSトランジスタQ0,Q1は、ノードN1と接地ノードGNDとの間に直列接続され、それらのゲートはそれぞれ論理積回路AND1,AND2の出力信号を受ける。NMOSトランジスタQ2,Q3は、ノードN2と接地ノードGNDとの間に直列接続され、それらのゲートはそれぞれ論理積回路AND3,AND2の出力信号を受ける。 NMOS transistors Q0 and Q1 are connected in series between node N1 and ground node GND, and their gates receive the output signals of AND circuits AND1 and AND2, respectively. NMOS transistors Q2 and Q3 are connected in series between node N2 and ground node GND, and their gates receive output signals of AND circuits AND3 and AND2, respectively.
インバータINV2は、ノードN1とN2の間に接続され、ノードN1に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN2に出力する。インバータINV1は、ノードN2とN1の間に接続され、ノードN2に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN1に出力する。インバータINV1,INV2の各々は、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDによって駆動される。なお、接地電圧と接地ノードとを同じ参照符号GNDで表わす。 Inverter INV2 is connected between nodes N1 and N2, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of the signal appearing at node N1 to node N2. Inverter INV1 is connected between nodes N2 and N1, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of a signal appearing at node N2 to node N1. Each of inverters INV1 and INV2 is driven by power supply voltage VDD and ground voltage GND. The ground voltage and the ground node are represented by the same reference symbol GND.
NMOSトランジスタQ0〜Q3、およびインバータINV0,INV1は、セット状態およびリセット状態に設定可能なラッチ回路を構成する。論理積回路AND1,AND2の出力信号がともに「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ0,Q1が導通してノードN1が「L」レベル(接地電圧GND)にされる。これにより、マスタラッチ回路61Aがセットされ、ノードN2が「H」レベル(電源電圧VDD)になる。
NMOS transistors Q0 to Q3 and inverters INV0 and INV1 constitute a latch circuit that can be set to a set state and a reset state. When the output signals of the AND circuits AND1 and AND2 are both set to “H” level, the NMOS transistors Q0 and Q1 are turned on, and the node N1 is set to “L” level (ground voltage GND). As a result, the
NMOSトランジスタQ0,Q1の少なくとも一方が非導通にされている場合に、論理積回路AND2,AND3の出力信号がともに「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ2,Q3が導通してノードN1が「H」レベルにされる。これにより、マスタラッチ回路61Aがリセットされ、ノードN2が「L」レベル(接地電圧GND)になる。
If at least one of the NMOS transistors Q0 and Q1 is non-conductive and the output signals of the AND circuits AND2 and AND3 are both set to "H" level, the NMOS transistors Q2 and Q3 are conductive and the node N1 becomes It is set to “H” level. As a result,
インバータINV3,INV4の入力ノードは、ノードN1,N2にそれぞれ接続される。インバータINV3,INV4は、スレーブラッチ回路61Bに設けられたNMOSトランジスタQ5,Q7のゲートをそれぞれ駆動する。なお、インバータINV3,INV4に代えて出力バッファがそれぞれ設けられる場合には、ノードN1は出力バッファを介してNMOSトランジスタQ7のゲートに接続され、ノードN2は出力バッファを介してNMOSトランジスタQ5のゲートに接続される。
The input nodes of inverters INV3 and INV4 are connected to nodes N1 and N2, respectively. Inverters INV3 and INV4 drive the gates of NMOS transistors Q5 and Q7 provided in
スレーブラッチ回路61Bは、NMOSトランジスタQ4〜Q7およびインバータINV5,INV6を含む。
インバータINV6は、ノードN3とN4の間に接続され、ノードN3に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN4に出力する。インバータINV5は、ノードN4とN3の間に接続され、ノードN4に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN3に出力する。インバータINV5,INV6の各々は、電源電圧VTXHおよび接地電圧GNDによって駆動される。したがって、スレーブラッチ回路61Bは、入力信号の「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに変換する電圧レベルシフト回路を兼ねる。
Inverter INV6 is connected between nodes N3 and N4, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of the signal appearing at node N3 to node N4. Inverter INV5 is connected between nodes N4 and N3, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of the signal appearing at node N4 to node N3. Each of inverters INV5 and INV6 is driven by power supply voltage VTXH and ground voltage GND. Therefore,
NMOSトランジスタQ4,Q5は、ノードN3と接地ノードGNDとの間に直列接続される。NMOSトランジスタQ6,Q7は、ノードN4と接地ノードGNDとの間に直列接続される。NMOSトランジスタQ4,Q6のゲートは、制御回路80より出力されたスレーブラッチセット信号TX_TR_SET_Bとスレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bとをそれぞれ受ける。NMOSトランジスタQ5,Q7のゲートは、インバータINV3,INV4の出力信号をそれぞれ受ける。
NMOS transistors Q4 and Q5 are connected in series between node N3 and ground node GND. NMOS transistors Q6 and Q7 are connected in series between node N4 and ground node GND. The gates of the NMOS transistors Q4 and Q6 receive the slave latch set signal TX_TR_SET_B and the slave latch reset signal TX_TR_RST_B output from the
マスタラッチ回路61Aがセット状態(すなわち、ノードN1の電圧が「L」レベル)であり、かつ、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET_Bが「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ4,Q5が導通してノードN3が「H」レベル(電源電圧VTXH)になる。これにより、スレーブラッチ回路61Bがセットされ、ノードN4が「H」レベル(電源電圧VTXH)になる。
When the
NMOSトランジスタQ4,Q5の少なくとも一方が非導通にされている場合に、マスタラッチ回路61Aがリセット状態(すなわち、ノードN2の電圧が「L」レベル)であり、かつ、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bが「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ6,Q7が導通してノードN4が「L」レベル(接地電圧GND)になる。これにより、スレーブラッチ回路61Bがリセットされ、ノードN4の電圧がLレベル(接地電圧GND)になる。
When at least one of the NMOS transistors Q4 and Q5 is non-conductive, the
スレーブラッチセット信号TX_TR_SET_Bとスレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bは、マスタからスレーブへのデータ転送のイネーブル信号であり、「H」レベルの場合に、マスタラッチ回路61Aのデータがスレーブラッチ回路61Bに転送される。
The slave latch set signal TX_TR_SET_B and the slave latch reset signal TX_TR_RST_B are data transfer enable signals from the master to the slave. When the signal is “H” level, the data of the
電圧レベルシフト回路52は、ノードN4の「L」レベルを接地電圧GNDから、接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに変換する。電圧レベルシフト回路52で接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに変換する理由は、転送信号TXがOFFのときにフォトダイオードとフローティングディフュージョンFD間にある転送トランジスタがリークしないようにするためである。TX0用デコード部62についても同様である。リセット信号RST、選択信号SELおよびFD連結信号FDSWの各々については負電圧にする必要がないので、RST用デコード部63、SEL用デコード部64、およびFDSW用デコード部65には電圧レベルシフト回路52が設けられていない。
The voltage
成形回路53は、論理積回路AND4を備える。論理積回路AND4は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。論理積回路AND4は、電圧レベルシフト回路52の出力信号(ノードN4に現れる信号)と成形信号TX_DRV_Bとの論理積信号を生成する。ノードN4が「H」レベルの場合、成形信号TX_DRV_Bが「H」レベルか「L」レベルかによって、出力信号である転送信号TX1を制御することが可能となる。
The forming
出力バッファ54は、バッファBUF1を備える。バッファBUF1は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。論理積回路AND4の出力信号は、バッファBUF1によって増強されて転送信号TX1となる。転送信号TX1は、対応の水平信号線LT1に与えられる。
The
なお、図9に示すTX1用デコード部61において、各部分の駆動電圧は次のとおりである。マスタラッチ回路61Aは、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDによって駆動される。スレーブラッチ回路61Bは、電源電圧VTXHおよび接地電圧GNDによって駆動される。電圧レベルシフト回路52、成形回路53、および出力バッファ54(参照符号61C)は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。
In the
[効果]
図10は、比較例による垂直走査部の動作を模式的に示すタイミング図である。図10では、仮に、図9で示したスレーブラッチ回路61Bが設けられておらず、1個のラッチ回路によって動作すると仮定した場合の動作が示されている(言替えると、図9において、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET_Bおよびスレーブラッチリセット信号TX_TR_RST_Bが常時「H」レベルである場合の動作が示されている)。
[effect]
FIG. 10 is a timing chart schematically showing the operation of the vertical scanning unit according to the comparative example. FIG. 10 shows an operation when it is assumed that the
図7で説明したように、ローリング電子シャッター方式で動画を撮影する場合には、各垂直走査期間(1H)ごとに、駆動パスルの出力(時刻t2から時刻t3)に先立って、ラッチへの書込(時刻t1から時刻t2)を4回行なう必要がある。3画素混合を行なう場合には、ラッチへの書込回数は12回になる。 As described with reference to FIG. 7, when a moving image is shot by the rolling electronic shutter method, writing to the latch is performed prior to driving pulse output (from time t2 to time t3) for each vertical scanning period (1H). It is necessary to perform four times (from time t1 to time t2). In the case of mixing three pixels, the number of times of writing to the latch is twelve.
ところで、一般にイメージセンサでは、撮像用画素が大きいため、垂直走査部内のアドレスや制御信号は数mm以上の長距離配線となる。このため、信号間のスキューが行アドレスの選択ミスにつながりやすい。特に高画質な一眼レフカメラ用イメージセンサのサイズはフルサイズ(36mm×24mm)やAPS−Cサイズ(23.6mm×15.8mm)であるため、長距離配線が数十mm程度に及ぶ。 By the way, in general, since an image sensor has a large imaging pixel, an address and a control signal in the vertical scanning unit are long-distance wirings of several mm or more. For this reason, skew between signals tends to lead to selection errors of row addresses. In particular, the size of an image sensor for a single-lens reflex camera with high image quality is a full size (36 mm × 24 mm) or an APS-C size (23.6 mm × 15.8 mm).
スキューによる行選択ミスを防ぐためには、図11で後述するように、1回の行選択には3クロックサイクルが必要になる。3画素混合の場合には、1垂直走査期間当たり36クロックサイクルが必要になる。ラッチへの書込に時間がかかりすぎると、FULL−HD規格のような高フレームレート(60fps)を実現するのが困難になる。 In order to prevent a row selection error due to skew, three clock cycles are required for one row selection, as will be described later with reference to FIG. In the case of a mixture of three pixels, 36 clock cycles are required per vertical scanning period. If writing to the latch takes too much time, it becomes difficult to realize a high frame rate (60 fps) as in the FULL-HD standard.
図11は、比較例の垂直走査部による行選択動作を示すタイミング図である。行選択時には、アドレス信号とセット信号との論理積演算が行なわれる。スキューによる行選択ミスを防ぐためには、たとえば、図11に示すように、アドレス信号の周期をクロック信号の3周期(3×Tc)にする必要がある。 FIG. 11 is a timing chart showing a row selection operation by the vertical scanning unit of the comparative example. When a row is selected, an AND operation between the address signal and the set signal is performed. In order to prevent a row selection error due to skew, for example, as shown in FIG. 11, the cycle of the address signal needs to be 3 cycles (3 × Tc) of the clock signal.
図12は、本実施の形態による垂直走査部の動作を模式的に示すタイミング図である。
本実施の形態では、図9で説明したように行選択デコード回路71に2つのラッチ回路を備えているため、マスタラッチ回路61Aへの書込みとスレーブラッチ回路61Bへの書込みをパイプライン動作で実現できる。このため、マスタラッチ回路61Aへの書込みの時間を隠すことが可能となる。以下、図12を参照して3画素混合を行なう場合について具体的に説明する。
FIG. 12 is a timing chart schematically showing the operation of the vertical scanning unit according to this embodiment.
In this embodiment, since the row
時刻t3から時刻t6までの現垂直走査期間に対して1つ前の垂直走査期間では、時刻t1から時刻t2までの間にマスタラッチ回路61Aへの12回の書込みが行なわれる。したがって、現垂直走査期間では、時刻t3から時刻t4までの間にマスタラッチ回路61Aからスレーブラッチ回路61Bへのデータ転送のみを行なえばよい。合計で12行の行選択は完了しているので、マスタからスレーブへのデータ転送は2クロックサイクルで済む。
In the vertical scanning period immediately before the current vertical scanning period from time t3 to time t6, writing to the
現垂直走査期間では、次の垂直走査期間(時刻t6から時刻t8まで)のためのマスタラッチ回路61Aへの書込みも行なわれる(時刻t4から時刻t5)。書込まれたデータは、次の垂直走査期間の時刻t6から時刻t7の間にスレーブラッチ回路61Bへ転送される。
In the current vertical scanning period, writing to the
このように、本実施の形態の場合には、各垂直走査期間において、駆動パルスの出力以外の時間は、マスタからスレーブへのデータ転送の2クロックサイクルとなり、図10の36クロックサイクルよりも削減することができる。このため、FULL−HD規格のような高フレームレート(60fps)を容易に実現できる。 Thus, in the case of the present embodiment, the time other than the output of the drive pulse in each vertical scanning period is 2 clock cycles of data transfer from the master to the slave, and is reduced from the 36 clock cycles of FIG. can do. For this reason, a high frame rate (60 fps) like the FULL-HD standard can be easily realized.
<実施の形態2>
実施の形態2によるイメージセンサでは、実施の形態1のようなマスタ・スレーブの2段構成のラッチ回路を設ける方法とは異なる方法を用いて、ラッチ回路への書込時間を短縮する。以下、具体的に説明する。
<
In the image sensor according to the second embodiment, the writing time to the latch circuit is shortened by using a method different from the method of providing the master / slave two-stage latch circuit as in the first embodiment. This will be specifically described below.
[垂直走査部の概略構成]
図13は、この発明の実施の形態2によるイメージセンサで用いられる垂直走査部2Aの構成を示すブロック図である。図13を参照して、垂直走査部2Aは、制御回路20および信号発生回路30を含む。
[Schematic configuration of vertical scanning unit]
FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the
制御回路20は、図1のタイミングジェネレータ4から、クロック信号CLK、行選択アドレスA12〜A0(13ビット)および制御信号を受ける。制御信号には、ラッチセット信号TX_SET,RST_SET,SEL_SET、FDSW_SET、ラッチリセット信号TX_RST,RST_RST,SEL_RST、FDSW_RST、および成形信号TX_DRV,RST_DRV,SEL_DRV、FDSW_DRVが含まれる。実施の形態1で説明した図8の場合と異なり、タイミングジェネレータ4から受ける制御信号には、スレーブラッチセット信号TX_TR_SET,RST_TR_SET,SEL_TR_SET、FDSW_TR_SET、スレーブラッチリセット信号TX_TR_RST,RST_TR_RST,SEL_TR_RST、FDSW_TR_RSTが含まれていない。
The
制御回路20は、13ビットの行選択アドレスA12〜A0をプリデコードして、プリデコード後のアドレス信号としてAG<3:0>〜AB<3:0>、AA<1:0>を生成する。アドレス信号AA<1:0>(行選択アドレスA0に対応する)は、図3の2つの転送トランジスタ12A、12Bの選択に用いられる。その他のアドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>の各々は、クロック信号が「H」レベル期間のみ有効な信号となるようにパルス幅が変更される。言替えると、アドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>の各々は、クロック信号に同期するとともに、クロック信号の半周期以下のパルス幅を有するように変形される。以下、このパルス変形操作を「クロック化」と称する(図13では、信号の末尾に「C」を付加することによって表わされる)。さらに、アドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>は、制御回路20内に設けられたバッファ回路によって整形される(図13では、信号の末尾に「B」を付加することによって表わされる)。
The
制御回路20は、さらに、ラッチセット信号TX_SETおよびラッチリセット信号TX_RSTの各々と、プリデコード後のアドレス信号AA<1>およびAA<0>の各々との論理積を演算する。この結果、TX1およびTX0用の信号として、ラッチセット信号TX0_SET,TX1_SETおよびラッチリセット信号TX1_RST,TX0_RSTが生成される。成形信号TX_DRVについては、アドレス信号AA<1:0>との論理積をとらず、TX1用およびTX0用の信号としてそのまま同じ信号波形が出力される。
制御回路20は、ラッチセット信号TX1_SET,TX0_SET,RST_SET,SEL_SET、FDSW_SETおよびラッチリセット信号TX1_RST,TX0_RST,RST_RST,SEL_RST、FDSW_RSTに関しては、クロック化とバッファ回路による整形とを行なう(図13では、信号の末尾に「_CB」が付加される)。
The
制御回路20は、成形信号TX_DRV,RST_DRV,SEL_DRV、FDSW_DRVに関しては、バッファ回路による整形を行なうがクロック化は行なわない(図13では、信号の末尾に「_B」が付加される)。
The
さらに、制御回路80は、一部の信号については電圧を変換して、デコード部31〜35に供給する。具体的には、TX1およびTX0用の成形信号TX_DRVは、「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに、「L」レベルを接地電圧GNDから接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに、変換する。成形信号RST_DRV,SEL_DRV,FDSW_DRVは、「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VDDより高い電源電圧に変換する。なお、制御回路20のより詳しい動作は、図15〜図18を参照して後述する。
Further, the
信号発生回路30は、TX1用デコード部31、TX0用デコード部32、RST用デコード部33、SEL用デコード部34、FDSW用デコード部35、およびブロック選択用ANDゲート36を含む。クロック選択ゲート36の動作は、図8の場合と同じであるので説明を繰返さない。
The
TX1用デコード部31は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_CB<3:0>,AC_CB<3:0>,AB_CB<3:0>、ラッチセット信号TX1_SET_CB、ラッチリセット信号TX1_RST_CB、および成形信号TX_DRV_Bを受ける。TX1用デコード部31は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LT1に出力する転送信号TX1を生成する。TX1用デコード部31の詳細は次の図14を参照して後述する。
The
TX0用デコード部32は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_CB<3:0>,AC_CB<3:0>,AB_CB<3:0>、ラッチセット信号TX0_SET_CB、ラッチリセット信号TX0_RST_CB、および成形信号TX_DRV_Bを受ける。TX0用デコード部32は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LT0に出力する転送信号TX0を生成する。
The
RST用デコード部33は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_CB<3:0>,AC_CB<3:0>,AB_CB<3:0>、ラッチセット信号RST_SET_CB、ラッチリセット信号RST_RST_CB、および成形信号RST_DRV_Bを受ける。RST用デコード部33は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LRに出力するリセット信号RSTを生成する。
The
SEL用デコード部34は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_CB<3:0>,AC_CB<3:0>,AB_CB<3:0>、ラッチセット信号SEL_SET_CB、ラッチリセット信号SEL_RST_CB、および成形信号SEL_DRV_Bを受ける。SEL用デコード部34は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LSに出力する選択信号SELを生成する。
The
FDSW用デコード部35は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AD_CB<3:0>,AC_CB<3:0>,AB_CB<3:0>、ラッチセット信号FDSW_SET_CB、ラッチリセット信号FDSW_RST_CB、および成形信号FDSW_DRV_Bを受ける。FDSW用デコード部35は、これらの信号に基づいて、対応の行の水平信号線LFに出力するFD連結信号FDSWを生成する。
The
[TX1用デコード部の詳細構成]
図14は、TX1用デコード部31の構成を示す回路図である。他のデコード部32〜35も同様の構成である。
[Detailed Configuration of TX1 Decoding Unit]
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of the
TX1用デコード部31は、行選択デコード回路51、電圧レベルシフト回路52、成形回路53、および出力バッファ54を含む。
The
行選択デコード回路51は、論理積回路AND1〜AND3、NMOSトランジスタQ0〜Q3、およびインバータINV1,INV2を含む。
Row
論理積回路AND1は、プリデコード後のアドレス信号AB_CB<3:0>のうち1信号とラッチセット信号TX1_SET_CBとの論理積信号を出力する。論理積回路AND2は、ブロック選択信号BS、プリデコード後のアドレス信号AC_CB<3:0>のうち1信号、およびプリデコード後アドレスAD_CB<3:0>のうち1信号の論理積信号を出力する。論理積回路AND3は、プリデコード後のアドレス信号AB_CB<3:0>のうち1信号とラッチリセット信号TX1_RST_CBとの論理積信号を出力する。上記の論理積回路AND1,AND2,AND3の各々によって4つアドレス信号のうちのどの1信号が論理積演算されるかは、行アドレスに応じて異なる。論理積回路AND1〜AND3は、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDによって駆動される。 The AND circuit AND1 outputs a logical product signal of one signal of the predecoded address signal AB_CB <3: 0> and the latch set signal TX1_SET_CB. The AND circuit AND2 outputs a logical product signal of the block selection signal BS, one signal of the predecoded address signal AC_CB <3: 0>, and one signal of the predecoded address AD_CB <3: 0>. . The AND circuit AND3 outputs a logical product signal of one signal of the predecoded address signal AB_CB <3: 0> and the latch reset signal TX1_RST_CB. Which one of the four address signals is ANDed by each of the AND circuits AND1, AND2 and AND3 depends on the row address. The AND circuits AND1 to AND3 are driven by the power supply voltage VDD and the ground voltage GND.
NMOSトランジスタQ0,Q1は、ノードN1と接地ノードGNDとの間に直列接続され、それらのゲートはそれぞれ論理積回路AND1,AND2の出力信号を受ける。NMOSトランジスタQ2,Q3は、ノードN2と接地ノードGNDとの間に直列接続され、それらのゲートはそれぞれ論理積回路AND3,AND2の出力信号を受ける。 NMOS transistors Q0 and Q1 are connected in series between node N1 and ground node GND, and their gates receive the output signals of AND circuits AND1 and AND2, respectively. NMOS transistors Q2 and Q3 are connected in series between node N2 and ground node GND, and their gates receive output signals of AND circuits AND3 and AND2, respectively.
インバータINV2は、ノードN1とN2の間に接続され、ノードN1に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN2に出力する。インバータINV1は、ノードN2とN1の間に接続され、ノードN2に現れる信号の論理レベルを反転した信号をノードN1に出力する。インバータINV1,INV2の各々は、電源電圧VTXHおよび接地電圧GNDによって駆動される。 Inverter INV2 is connected between nodes N1 and N2, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of the signal appearing at node N1 to node N2. Inverter INV1 is connected between nodes N2 and N1, and outputs a signal obtained by inverting the logic level of a signal appearing at node N2 to node N1. Each of inverters INV1 and INV2 is driven by power supply voltage VTXH and ground voltage GND.
NMOSトランジスタQ0〜Q3、およびインバータINV0,INV1は、セット状態およびリセット状態に設定可能なラッチ回路31Bを構成する。論理積回路AND1,AND2の出力信号がともに「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ0,Q1が導通してノードN1が「L」レベル(接地電圧GND)になる。これにより、ラッチ回路31Bがセットされ、ノードN2が「H」レベル(電源電圧VTXH)になる。 NMOS transistors Q0 to Q3 and inverters INV0 and INV1 form a latch circuit 31B that can be set to a set state and a reset state. When the output signals of the AND circuits AND1 and AND2 are both set to the “H” level, the NMOS transistors Q0 and Q1 are turned on and the node N1 is set to the “L” level (ground voltage GND). As a result, the latch circuit 31B is set, and the node N2 becomes the “H” level (power supply voltage VTXH).
NMOSトランジスタQ0,Q1の少なくとも一方が非導通にされている場合に、論理積回路AND2,AND3の出力信号がともに「H」レベルにされると、NMOSトランジスタQ2,Q3が導通してノードN1が「H」レベルになる。これにより、ラッチ回路31Bがリセットされ、ノードN2が「L」レベル(接地電圧GND)になる。このように、ラッチ回路31Bは、信号の「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに変換する電圧レベルシフト回路を兼ねている。 If at least one of the NMOS transistors Q0 and Q1 is non-conductive and the output signals of the AND circuits AND2 and AND3 are both set to "H" level, the NMOS transistors Q2 and Q3 are conductive and the node N1 becomes Becomes “H” level. As a result, the latch circuit 31B is reset, and the node N2 is set to the “L” level (ground voltage GND). As described above, the latch circuit 31B also serves as a voltage level shift circuit that converts the “H” level of the signal from the power supply voltage VDD to the power supply voltage VTXH.
電圧レベルシフト回路52は、ノードN2の「L」レベルを接地電圧GNDから、接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに変換する。TX0用デコード部32についても同様である。リセット信号RST、選択信号SELおよびFD連結信号FDSWの各々については負電圧にする必要がないので、RST用デコード部33、SEL用デコード部34、およびFDSW用デコード部35には電圧レベルシフト回路52が設けられていない。
Voltage
成形回路53は、論理積回路AND4を備える。論理積回路AND4は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。論理積回路AND4は、電圧レベルシフト回路52の出力信号(ノードN2に現れる信号)と成形信号TX_DRV_Bとの論理積信号を生成する。ノードN2が「H」レベルの場合、成形信号TX_DRV_Bが「H」レベルか「L」レベルかによって、出力信号である転送信号TX1を制御することが可能となる。
The forming
出力バッファ54は、バッファBUF1を備える。バッファBUF1は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。論理積回路AND4の出力信号は、バッファBUF1によって増強されて転送信号TX1となる。転送信号TX1は、対応の水平信号線LT1に与えられる。
The
なお、図13に示すTX1用デコード部31において、各部分の駆動電圧は次のとおりである。論理積回路AND1〜AND3(参照符号31A)は、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDによって駆動される。ラッチ回路31Bは、電源電圧VTXHおよび接地電圧GNDによって駆動される。電圧レベルシフト回路52、成形回路53、および出力バッファ54(参照符号31C)は、電源電圧VTXHおよび負電圧VTXLによって駆動される。
In the
[制御回路の詳細構成]
図15は、制御回路20のうち転送信号TXの生成に関連する部分を示す回路ブロック図である。以下、制御回路20のうちTX信号に関連する部分のみを説明するが、他の信号(RST、SEL、FDSW)についても同様である。
[Detailed configuration of control circuit]
FIG. 15 is a circuit block diagram showing a part related to generation of the transfer signal TX in the
図15を参照して、制御回路20は、プリデコーダ21、電圧レベルシフト回路22、信号クロック化回路23、バッファ24、およびTX1とTX0用の信号生成回路25を含む。制御回路20の各出力信号はバッファ24を介してTX用デコード部31、32に供給される。
Referring to FIG. 15,
プリデコーダ21は、行選択アドレスA12〜A0をプリデコードして、アドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>、AA<1:0>を生成する。プリデコード後のアドレス信号AA<1:0>は、行選択アドレスA0の1ビットをプリデコードしているため2信号となる。アドレス信号AA<1:0>は、2つの転送トランジスタ12A、12Bの選択に用いられる。他のアドレス信号AB<3:0>〜AG<3:0>は、行選択アドレスを2ビットずつプリデコードしているため、それぞれ4信号になる。
The
TX1とTX0用の信号生成回路25は、論理積回路25A,25Bを含む。論理積回路25Aは、ラッチセット信号TX_SETと、プリデコード後のアドレスAA<1:0>の各々との論理積演算を行なう。論理積回路25Aは、演算結果をラッチセット信号TX1_SET,TX0_SETとして出力する。同様に、論理積回路25Bは、ラッチリセット信号TX_RSTと、プリデコード後のアドレスAA<1:0>の各々との論理積演算を行なう。論理積回路25Bは、演算結果をラッチリセット信号TX1_RST,TX0_RSTとして出力する。
The
電圧レベルシフト回路22は、成形信号TX_DRVの「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに、「L」レベルを接地電圧GNDから、接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに変換する。
The voltage
信号クロック化回路23は、入力信号を、クロック信号CLKのHigh期間のみ有効な信号として出力する回路である。信号クロック化回路23は、プリデコード後のアドレスAG<3:0>〜AB<3:0>と、ラッチセット信号TX1_SET、TX0_SETと、ラッチリセット信号TX1_RST、TX0_RSTとをクロック化する。
The
図16は、図15の信号クロック化回路23の構成要素を示すブロック図である。図15の信号クロック化回路23には、各入力信号に対して図16の構成の回路が設けられる。
FIG. 16 is a block diagram showing components of the
図16を参照して、信号クロック化回路23は、フリップフロップ(FF)41と、ラッチ回路(LAT)42と、ANDゲート43とを含む。フリップフロップ41は、クロック信号CLKのポジティブエッジにおいて、入力信号INの論理レベルを保持する。ラッチ回路42は、クロック信号CLKが「L」レベルの間、フリップフロップ41の出力信号S1を通過させる。ラッチ回路42は、クロック信号CLKが「H」レベルに切替わる直前の信号S1の論理レベルを、クロック信号CLKが「H」レベルの期間保持する。ANDゲート43は、ラッチ回路42の出力信号S2とクロック信号CLKとの論理積を、出力信号OUTとして出力する。
Referring to FIG. 16,
図17は、図16の回路における各信号のタイミング図である。図17には上から順に、クロック信号CLK、入力信号IN、フリップフロップ41の出力信号S1、ラッチ回路の出力信号S2、および出力信号OUTの各々の電圧波形が示される。
FIG. 17 is a timing chart of each signal in the circuit of FIG. FIG. 17 shows, in order from the top, voltage waveforms of the clock signal CLK, the input signal IN, the output signal S1 of the flip-
図17を参照して、クロック信号CLKと入力信号INとにスキューがない場合には、クロック信号CLKと入力信号INとの論理積を求めることによって、入力信号INをクロック化した信号を得ることができる。実際には、入力信号INの立上がりおよび立下がりは、クロック信号CLKが立上がるタイミングt1,t2よりもそれぞれ遅れる。そこで、そこで、図16に示す回路を用いた論理演算を行なうことによって、時刻t4から時刻t5の間にクロックの半周期のパルス幅を有する信号を生成することができる。 Referring to FIG. 17, when there is no skew between clock signal CLK and input signal IN, a signal obtained by clocking input signal IN is obtained by obtaining a logical product of clock signal CLK and input signal IN. Can do. Actually, the rising and falling of the input signal IN are delayed from the timings t1 and t2 at which the clock signal CLK rises, respectively. Therefore, by performing a logical operation using the circuit shown in FIG. 16, it is possible to generate a signal having a pulse width of a half cycle of the clock between time t4 and time t5.
図18は、読出時における図14の垂直走査部2Aの動作を示すタイミング図である。読出動作は、図14のラッチ回路31Bをセットする第1ステップと、転送信号TX1を成形する第2ステップと、ラッチ回路31Bをリセットする第3ステップから構成される。図18においては第1、第2ステップの動作が示される。ただし、簡単のために、成形信号TX_DRVは常に「H」レベルとしている。
FIG. 18 is a timing chart showing the operation of the
図18を参照して、図15に示す信号クロック化回路23には、プリデコード後のアドレス信号AB<3:0>〜AG<3:0>と、ラッチセット信号TX1_SETとが入力される。アドレス信号およびラッチセット信号は1クロックサイクルで切替えられるものとする。具体的に時刻t1から時刻t2の間に画素アレイを構成する画素部10の第n行に対応する信号が入力され、時刻t2から時刻t3の間に画素アレイを構成する画素部10の第n+1行に対応する信号が入力される。
Referring to FIG. 18, pre-decoded address signals AB <3: 0> to AG <3: 0> and latch set signal TX1_SET are input to signal
時刻t3に、画素アレイを構成する画素部10の第n行に対応する信号クロック化回路23は、クロック化されたアドレス信号AB_C<3:0>〜AG_C<3:0>と、クロック化されたラッチセット信号TX1_SET_C<n>を出力する。時刻t4に、画素部10の第n+1行に対応する信号クロック化回路23は、クロック化されたアドレス信号AB_C<3:0>〜AG_C<3:0>と、クロック化されたラッチセット信号TX1_SET_C<n+1>を出力する。
At time t3, the
制御回路20から出力に応じて、画素部10の第n行に対応するラッチ回路31Bにおいて、ノードN2の電圧は、時刻t3に「H」レベルに切替わる。画素部10の第n+1行に対応するラッチ回路31Bにおいて、ノードN2の電圧は、時刻t4に「H」レベルに切替わる。この結果、時刻t3に第n行の水平信号線LT<n>に供給される転送信号TX1<n>が「H」レベルに切替わり、時刻t4に第n+1行の水平信号線LT<n+1>に供給される転送信号TX1<n+1>が「H」レベルに切替わる。
In response to the output from the
[効果]
上記のとおり、垂直走査部2Aにおいて、アドレス信号AB_C<3:0>〜AG_C<3:0>、ラッチセット信号、およびラッチリセット信号がクロック化される。これらのクロック化された信号では、「H」レベルとなる前後に必ず「L」レベルとなる期間が存在する。このため、信号のスキューによる行選択ミス(選択していない行のラッチ回路に対してセット動作を行うミス)が生じない。
[effect]
As described above, in the
さらに、アドレス信号AB_C<3:0>〜AG_C<3:0>、ラッチセット信号、およびラッチリセット信号をクロック化することによって、ラッチ回路のセット動作およびリセット動作を1クロックサイクルで行なうことができる。したがって、図10に示すタイミング図を参照すると、各垂直走査期間ごとに行選択に要する時間(ラッチへの書込時間)は、3画素混合の場合であっても、12クロックサイクルで済む。クロック化を行なわない場合には36クロックサイクルを要したので、ラッチへの書込時間を約1/3に削減できる。 Further, by setting the address signals AB_C <3: 0> to AG_C <3: 0>, the latch set signal, and the latch reset signal as clocks, the set operation and reset operation of the latch circuit can be performed in one clock cycle. . Therefore, referring to the timing chart shown in FIG. 10, the time required for row selection (writing time to the latch) for each vertical scanning period is 12 clock cycles even in the case of mixing three pixels. When clocking is not performed, 36 clock cycles are required, so that the write time to the latch can be reduced to about 1/3.
RC遅延素子により各アドレス信号とラッチセット信号とのタイミングを調整することによって行選択ミスを防止する方法もあるが、実施の形態2による方法(信号のクロック化)のほうが以下の点で有利である。 Although there is a method for preventing a row selection error by adjusting the timing of each address signal and latch set signal by using an RC delay element, the method according to the second embodiment (signal clocking) is more advantageous in the following points. is there.
まず、実施の形態2の方法をとれば、RC遅延素子を設けることによる面積の増加はない。イメージセンサ内の長距離配線でのスキューを考慮すると、RC遅延素子はかなり大きな面積を必要とする。
First, if the method of
さらに、実施の形態2では、クロックに同期した信号処理であるので、タイミングの合わせこみが容易である。RC遅延素子ではタイミングの調整に時間を要する。 Further, in the second embodiment, since signal processing is synchronized with the clock, it is easy to adjust timing. The RC delay element requires time for timing adjustment.
<実施の形態3>
実施の形態1で説明したマスタラッチ回路およびスレーブラッチ回路を設ける方法と、実施の形態2で説明した信号のクロック化とを組み合わせてもよい。以下、具体的に説明する。
<
The method of providing the master latch circuit and the slave latch circuit described in
図19は、この発明の実施の形態3によるイメージセンサで用いられる垂直走査部2Bの構成を示すブロック図である。図19を参照して、垂直走査部2Bは、制御回路81および信号発生回路60を含む。
FIG. 19 is a block diagram showing the configuration of the vertical scanning unit 2B used in the image sensor according to
図19の信号発生回路60は図8の信号発生回路60と同じであるので、説明を繰返さない。制御回路81は、図8の制御回路80に図15、図16で説明した信号クロック化回路23を付加したものである。
Since
図20は、制御回路81のうち転送信号TXの生成に関連する部分を示す回路ブロック図である。以下、制御回路81のうちTX信号に関連する部分のみを説明するが、他の信号(RST、SEL、FDSW)についても同様である。
FIG. 20 is a circuit block diagram showing a part related to generation of the transfer signal TX in the
図20を参照して、制御回路81は、プリデコーダ21、電圧レベルシフト回路22、信号クロック化回路23、バッファ24、およびTX1とTX0用の信号生成回路72を含む。制御回路81の各出力信号はバッファ24を介してTX用デコード部61,62に供給される。
Referring to FIG. 20,
プリデコーダ21は、行選択アドレスA12〜A0をプリデコードして、アドレス信号AG<3:0>〜AB<3:0>、AA<1:0>を生成する。プリデコード後のアドレス信号AA<1:0>は、行選択アドレスA0の1ビットをプリデコードしているため2信号となる。アドレス信号AA<1:0>は、2つの転送トランジスタ12A、12Bの選択に用いられる。他のアドレス信号AB<3:0>〜AG<3:0>は、行選択アドレスを2ビットずつプリデコードしているため、それぞれ4信号になる。
The
TX1とTX0用の信号生成回路72は、論理積回路72A,72Bを含む。論理積回路72Aは、マスタラッチセット信号TX_SETと、プリデコード後のアドレスAA<1:0>の各々との論理積演算を行なう。論理積回路72Aは、演算結果をマスタラッチセット信号TX1_SET,TX0_SETとして出力する。同様に、論理積回路72Bは、マスタラッチリセット信号TX_RSTと、プリデコード後のアドレスAA<1:0>の各々との論理積演算を行ない、演算結果をマスタラッチリセット信号TX1_RST,TX0_RSTとして出力する。
The
電圧レベルシフト回路22は、成形信号TX_DRVの「H」レベルを電源電圧VDDから電源電圧VTXHに、「L」レベルを接地電圧GNDから、接地電圧GNDよりも低い負電圧VTXLに変換する。
The voltage
信号クロック化回路23は、入力信号を、クロック信号CLKのHigh期間のみ有効な信号として出力する回路である。信号クロック化回路23は、プリデコード後のアドレスAG<3:0>〜AB<3:0>と、マスタラッチセット信号TX0_SET、TX1_SETと、マスタラッチリセット信号TX1_RST、TX0_RSTとをクロック化する。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 画素アレイ、2,2A,2B 垂直走査部、3 水平走査部、4 タイミングジェネレータ、10 画素部、11A,11B フォトダイオード、12A,12B 転送トランジスタ、13 リセットトランジスタ、14 増幅トランジスタ、15 選択トランジスタ、16 連結トランジスタ、20,80,81 制御回路、23 信号クロック化回路、31〜35,61〜65 デコード部(駆動回路)、31B ラッチ回路、61A マスタラッチ回路、61B スレーブラッチ回路、A12〜A0 行選択アドレス、AA〜AG アドレス信号、BS ブロック選択信号、FD フローティングディフュージョン、LF,LR,LT1,LT0,LS 水平信号線、LV 垂直信号線、N1〜N4 ノード、TX_SET (マスタ)ラッチセット信号、TX_RST (マスタ)ラッチリセット信号、TX_TR_SET スレーブラッチセット信号、TX_TR_RST スレーブラッチリセット信号、TX_DRV 成形信号、FDSW 連結信号、RST リセット信号、SEL 選択信号、TX1,TX0 転送信号。 1 pixel array, 2, 2A, 2B vertical scanning unit, 3 horizontal scanning unit, 4 timing generator, 10 pixel unit, 11A, 11B photodiode, 12A, 12B transfer transistor, 13 reset transistor, 14 amplification transistor, 15 selection transistor, 16 connected transistors, 20, 80, 81 control circuit, 23 signal clock generation circuit, 31-35, 61-65 decoding unit (drive circuit), 31B latch circuit, 61A master latch circuit, 61B slave latch circuit, A12-A0 row selection Address, AA to AG address signal, BS block selection signal, FD floating diffusion, LF, LR, LT1, LT0, LS horizontal signal line, LV vertical signal line, N1 to N4 nodes, TX_SET (master) latch set Signal, TX_RST (master) latch reset signal, TX_TR_SET slave latch set signal, TX_TR_RST slave latch reset signal, TX_DRV molding signal, FDSW connection signal, RST reset signal, SEL selection signal, TX1, TX0 transfer signal.
Claims (11)
前記複数の画素部の行にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の行に含まれる各画素部と接続される複数の水平信号線と、
前記複数の水平信号線にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の水平信号線に接続された各画素部を駆動するための駆動信号を対応の水平信号線を介して出力する複数の駆動回路と、
前記複数の画素部の行のうち対応する行が選択行であるか否かを示す行選択信号を、前記複数の駆動回路の各々に出力する制御回路とを備え、
前記複数の駆動回路の各々は、
前記行選択信号に基づいてセット状態になる第1のラッチ回路と、
前記第1のラッチ回路の状態に基づいてセット状態になる第2のラッチ回路とを含み、
前記駆動信号は、前記第2のラッチ回路の状態に基づいて出力される、固体撮像装置。 A plurality of pixel portions arranged in a matrix and each including a photoelectric conversion element;
A plurality of horizontal signal lines provided corresponding to the rows of the plurality of pixel portions, each connected to each pixel portion included in the corresponding row;
A plurality of drives provided corresponding to the plurality of horizontal signal lines, each of which outputs a drive signal for driving each pixel unit connected to the corresponding horizontal signal line via the corresponding horizontal signal line Circuit,
A control circuit that outputs to each of the plurality of drive circuits a row selection signal indicating whether or not a corresponding row of the plurality of pixel portions is a selected row;
Each of the plurality of drive circuits includes:
A first latch circuit that is set based on the row selection signal;
A second latch circuit that is set based on the state of the first latch circuit,
The solid-state imaging device, wherein the driving signal is output based on a state of the second latch circuit.
前記第1のラッチ回路は、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記第1のセット信号が活性状態のときセット状態になり、
前記第2のラッチ回路は、前記第1のラッチ回路がセット状態でありかつ前記第2のセット信号が活性状態のときにセット状態になる、請求項1に記載の固体撮像装置。 The control circuit further outputs a first set signal and a second set signal as signals common to the plurality of drive circuits,
The first latch circuit is set when the row selection signal is active and the first set signal is active,
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second latch circuit is set when the first latch circuit is in a set state and the second set signal is in an active state.
前記画素混合モードにおいて、前記制御回路は、駆動対象である複数の選択行用の駆動回路に出力する複数の前記行選択信号を順次活性化し、
前記画素混合モードにおいて、前記制御回路は、複数の選択行に対応する複数の前記第1のラッチ回路が全てセット状態になった後に、前記第2のセット信号を活性化する、請求項2に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device has, as an operation mode, a pixel mixture mode in which the plurality of pixel units are simultaneously driven in a plurality of rows,
In the pixel mixture mode, the control circuit sequentially activates a plurality of the row selection signals to be output to a drive circuit for a plurality of selected rows to be driven,
The control circuit activates the second set signal after the plurality of first latch circuits corresponding to a plurality of selected rows are all set in the pixel mixture mode. The solid-state imaging device described.
前記第1のラッチ回路は、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記第1のリセット信号が活性状態のときリセット状態になり、
前記第2のラッチ回路は、前記第1のラッチ回路がリセット状態でありかつ前記第2のリセット信号が活性状態のときにリセット状態になる、請求項2に記載の固体撮像装置。 The control circuit further outputs a first reset signal and a second reset signal as signals common to the plurality of drive circuits,
The first latch circuit is in a reset state when the row selection signal is in an active state and the first reset signal is in an active state,
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second latch circuit is in a reset state when the first latch circuit is in a reset state and the second reset signal is in an active state.
第1のノードと、
第2のノードと、
前記第1のノードの論理レベルを反転した信号を前記第2のノードに出力する第1のインバータと、
前記第2のノードの論理レベルを反転した信号を前記第1のノードに出力する第2のインバータと、
前記第1のノードと基準電圧を与える基準ノードとの間に接続され、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記第1のセット信号が活性状態のとき導通状態になる第1のスイッチ部と、
前記第2のノードと前記基準ノードとの間に接続され、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記第1のリセット信号が活性状態のとき導通状態になる第2のスイッチ部とを含み、
前記第2のラッチ回路は、
第3のノードと、
第4のノードと、
前記第3のノードの論理レベルを反転した信号を前記第4のノードに出力する第3のインバータと、
前記第4のノードの論理レベルを反転した信号を前記第3のノードに出力する第4のインバータと、
前記第3のノードと前記基準ノードとの間に接続され、前記第1のノードの電圧が前記基準電圧に等しくかつ前記第2のセット信号が活性状態のときに導通する第3のスイッチ部と、
前記第4のノードと前記基準ノードとの間に接続され、前記第2のノードの電圧が前記基準電圧に等しくかつ前記第2のリセット信号が活性状態のときに導通する第4のスイッチ部とを含み、
前記駆動信号は、前記第3または第4のノードの論理レベルに基づいて出力される、請求項5に記載の固体撮像装置。 The first latch circuit includes:
A first node;
A second node;
A first inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the first node to the second node;
A second inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the second node to the first node;
A first switch connected between the first node and a reference node for applying a reference voltage, and is turned on when the row selection signal is in an active state and the first set signal is in an active state; ,
A second switch unit connected between the second node and the reference node, wherein the second switch unit is conductive when the row selection signal is in an active state and the first reset signal is in an active state;
The second latch circuit includes:
A third node;
A fourth node;
A third inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the third node to the fourth node;
A fourth inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the fourth node to the third node;
A third switch connected between the third node and the reference node and conducting when the voltage of the first node is equal to the reference voltage and the second set signal is in an active state; ,
A fourth switch connected between the fourth node and the reference node and conducting when the voltage of the second node is equal to the reference voltage and the second reset signal is in an active state; Including
The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the drive signal is output based on a logic level of the third or fourth node.
制御電極が対応の水平信号線と接続され、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して前記光電変換素子と接続され、前記光電変換素子で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
列方向に配置される別の画素部の電荷蓄積部との間に設けられ、前記画素混合モード時に導通状態となる結合トランジスタとを含む、請求項3に記載の固体撮像装置。 Each of the plurality of pixel portions further includes
A transfer electrode connected to a corresponding horizontal signal line and transferring charges generated in the photoelectric conversion element; and
A charge storage unit connected to the photoelectric conversion element via the transfer transistor and storing charges generated by the photoelectric conversion element;
4. The solid-state imaging device according to claim 3, further comprising: a coupling transistor that is provided between a charge storage unit of another pixel unit arranged in the column direction and is in a conductive state in the pixel mixed mode.
前記複数の画素部の行にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の行に含まれる各画素部と接続される複数の水平信号線と、
前記複数の水平信号線にそれぞれ対応して設けられ、各々が、対応の水平信号線に接続された各画素部を駆動するための駆動信号を対応の水平信号線を介して出力する複数の駆動回路と、
前記複数の画素部の行のうち対応する行が選択行であるか否かを示す行選択信号を、前記複数の駆動回路の各々に出力する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記複数の駆動回路で共通のセット信号をさらに出力し、
前記行選択信号および前記セット信号の各々は、クロック信号に同期するともに前記クロック信号の半周期のパルス幅を有する信号であり、
前記複数の駆動回路の各々は、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記セット信号が活性状態のときセット状態になるラッチ回路を含み、
前記駆動信号は、前記ラッチ回路の状態に基づいて出力される、固体撮像装置。 A plurality of pixel portions arranged in a matrix and each including a photoelectric conversion element;
A plurality of horizontal signal lines provided corresponding to the rows of the plurality of pixel portions, each connected to each pixel portion included in the corresponding row;
A plurality of drives provided corresponding to the plurality of horizontal signal lines, each of which outputs a drive signal for driving each pixel unit connected to the corresponding horizontal signal line via the corresponding horizontal signal line Circuit,
A control circuit that outputs to each of the plurality of drive circuits a row selection signal indicating whether or not a corresponding row of the plurality of pixel portions is a selected row;
The control circuit further outputs a set signal common to the plurality of drive circuits,
Each of the row selection signal and the set signal is a signal that is synchronized with a clock signal and has a pulse width of a half cycle of the clock signal,
Each of the plurality of drive circuits includes a latch circuit that is in a set state when the row selection signal is in an active state and the set signal is in an active state,
The solid-state imaging device, wherein the drive signal is output based on a state of the latch circuit.
前記リセット信号は、クロック信号に同期するともに前記クロック信号の半周期のパルス幅を有する信号であり、
前記ラッチ回路は、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記リセット信号が活性状態のときリセット状態になる、請求項9に記載の固体撮像装置。 The control circuit further outputs a reset signal that is a signal common to the plurality of drive circuits,
The reset signal is a signal that is synchronized with a clock signal and has a pulse width of a half cycle of the clock signal,
The solid-state imaging device according to claim 9, wherein the latch circuit is in a reset state when the row selection signal is in an active state and the reset signal is in an active state.
第1のノードと、
第2のノードと、
前記第1のノードの論理レベルを反転した信号を前記第2のノードに出力する第1のインバータと、
前記第2のノードの論理レベルを反転した信号を前記第1のノードに出力する第2のインバータと、
前記第1のノードと基準電圧を与える基準ノードとの間に接続され、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記セット信号が活性状態のとき導通状態になる第1のスイッチ部と、
前記第2のノードと前記基準ノードとの間に接続され、前記行選択信号が活性状態でありかつ前記リセット信号が活性状態のとき導通状態になる第2のスイッチ部とを含み、
前記駆動信号は、前記第1または第2のノードの論理レベルに基づいて出力される、請求項10に記載の固体撮像装置。 The latch circuit is
A first node;
A second node;
A first inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the first node to the second node;
A second inverter that outputs a signal obtained by inverting the logic level of the second node to the first node;
A first switch connected between the first node and a reference node for applying a reference voltage, and is turned on when the row selection signal is active and the set signal is active;
A second switch unit connected between the second node and the reference node, the second switch unit being in a conductive state when the row selection signal is in an active state and the reset signal is in an active state;
The solid-state imaging device according to claim 10, wherein the drive signal is output based on a logic level of the first or second node.
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