JP2013009407A - Photoelectric conversion device, imaging system, and driving method of photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置及び撮像システムに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and an imaging system.
アクティブ型の光電変換装置として、演算増幅器を含む光電変換装置がある。このような光電変換装置100では、図9に示すように、画素配列、複数の読み出し回路130、垂直シフトレジスタ123及び水平シフトレジスタ119を備える。画素配列では、複数個の画素GU11〜GUmn(m:自然数,n:自然数)が2次元的に(行方向及び列方向に)配置されている。読み出し回路130は、画素配列(画素GU11〜GUmn)の列ごとに設けられている。垂直シフトレジスタ123及び水平シフトレジスタ119は、それぞれ、各画素GU11〜GUmnに接続されている。
As an active photoelectric conversion device, there is a photoelectric conversion device including an operational amplifier. Such a
垂直シフトレジスタ123は、読み出し行(画素の行)を選択する。選択された行の各画素では、フォトダイオード101から転送トランジスタ102経由でフローティングディフュージョン(以下、FDとする)に読み出された電荷による信号が、増幅トランジスタ104により信号(ノイズ信号又は光信号)に変換される。その信号は、画素の各列ごとに垂直信号線106を介して読み出し回路130に読み出されて保持される。水平シフトレジスタ119は、順次に水平転送スイッチ114をONして、各列の読み出し回路130に保持された信号を順次に水平信号線116及び出力回路118を介して出力する。
The
この読み出し回路130では、クランプ容量108が、垂直信号線106を介して読み出された信号を蓄積する。演算増幅器120は、外部から入力された参照電圧VREFに基づいて、蓄積されたノイズ信号及び光信号の差分を増幅する。ラインメモリ112は、増幅された信号を保持する。
In the
このように、外部から入力される参照電圧(クランプ電圧Vclp)に基づいて、蓄積された信号を増幅する演算増幅器を含む読み出し回路を用いた技術として、特許文献1に示す技術が提案されている。
As described above, as a technique using a readout circuit including an operational amplifier that amplifies an accumulated signal based on a reference voltage (clamp voltage Vclp) input from the outside, a technique disclosed in
しかしながら、特許文献1に示す技術では、読み出し回路における演算増幅器に入力される参照電圧に外乱ノイズが混入した場合、その外乱ノイズが信号(ノイズ信号又は光信号)に重畳されるおそれがある。これにより、ノイズ信号及び光信号の差分により生成された画像に横縞状のランダムノイズが現れることがある。
However, in the technique shown in
本発明の目的は、外乱ノイズが信号に重畳されることを抑制できる光電変換装置及び撮像システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device and an imaging system capable of suppressing disturbance noise from being superimposed on a signal.
本発明の第1側面に係る光電変換装置は、複数の画素が行方向及び列方向に配列された画素配列と、前記画素配列における各列の画素から信号を読み出す複数の読み出し回路と、前記複数の読み出し回路のそれぞれを制御する制御部とを備え、前記複数の読み出し回路は、外部から供給された参照電圧を保持する保持部と、前記保持部で保持した前記参照電圧に基づいて、前記各列の画素の信号を増幅する演算増幅部と、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断する遮断部とを含み、前記制御部は、前記演算増幅部が前記各列の画素の信号を増幅する際に前記外部と前記保持部とを電気的に遮断するように、前記遮断部を制御することを特徴とする。 The photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention includes a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in a row direction and a column direction, a plurality of readout circuits that read signals from pixels in each column in the pixel array, and the plurality of pixels A plurality of readout circuits, each of the plurality of readout circuits includes a holding unit that holds a reference voltage supplied from the outside, and each of the reading circuits based on the reference voltage held by the holding unit. An operational amplification unit that amplifies a signal of a pixel in a column; and a blocking unit that electrically blocks the outside and the holding unit; and the control unit is configured such that the operational amplification unit outputs a signal of the pixel in each column. The blocking unit is controlled so as to electrically block the outside and the holding unit during amplification.
本発明の第2側面に係る撮像システムは、上記の光電変換装置と、前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。 An imaging system according to a second aspect of the present invention is a method of processing image data by processing the photoelectric conversion device, an optical system that forms an image on an imaging surface of the photoelectric conversion device, and a signal output from the photoelectric conversion device. And a signal processing unit for generating.
本発明の第3側面に係る光電変換装置の駆動方法は、複数の画素が行方向及び列方向に配列された画素配列と、前記画素配列における画素から信号を読み出す読み出し回路とを有し、前記読み出し回路は、外部から供給された参照電圧を保持する保持部を含む光電変換装置の駆動方法であって、外部から参照電圧を前記保持部に供給する供給ステップと、前記供給ステップの後に、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断させる遮断ステップと、前記遮断ステップの後に、前記保持部が保持する前記参照電圧に基づいて、前記各列の画素の信号を増幅させる増幅ステップとを備えたことを特徴とする。 The photoelectric conversion device driving method according to the third aspect of the present invention includes a pixel array in which a plurality of pixels are arrayed in a row direction and a column direction, and a readout circuit that reads signals from the pixels in the pixel array, The readout circuit is a driving method of a photoelectric conversion device including a holding unit that holds a reference voltage supplied from the outside, and a supply step of supplying a reference voltage to the holding unit from the outside, and after the supply step, A step of electrically shutting off the outside and the holding unit; and an amplification step of amplifying the signal of the pixel in each column based on the reference voltage held by the holding unit after the blocking step. It is characterized by that.
本発明によれば、外乱ノイズが信号に重畳されることを抑制できる。 According to the present invention, it is possible to suppress disturbance noise from being superimposed on a signal.
本発明の第1実施形態に係る光電変換装置を、図1〜図4を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る光電変換装置の構成図である。図2は、本発明の第1実施形態における読み出し回路の構成図である。図3は、本発明の第1実施形態における演算増幅器及びホールド容量の構成を示す図である。図4は、読み出し回路に供給される信号のタイミングチャートである。なお、図9に示す光電変換装置100と異なる部分を中心に説明し、同様の部分いついては説明を省略する。
A photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of the readout circuit in the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the operational amplifier and the hold capacitor in the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a timing chart of signals supplied to the reading circuit. Note that description will be made mainly on parts different from the
光電変換装置200は、読み出し回路130の代わりに読み出し回路230及び複数の読み出し回路230iを備え、垂直シフトレジスタ123の代わりに垂直シフトレジスタ(制御部)223を備える。図2に示すように、読み出し回路230は、第1列目の画素のみに接続されている。複数の読み出し回路230iは、第2列目〜第n列目の画素にそれぞれ接続されている。読み出し回路230及び複数の読み出し回路230iは、それぞれ、画素配列における各列の画素から信号を読み出す。また、読み出し回路230及び複数の読み出し回路230iは、垂直シフトレジスタ223から入力端子を介してPCOR信号、PCVR信号、及びPT信号を受け取り、それらの信号に応じた動作を行う。すなわち、垂直シフトレジスタ223は、読み出し回路230及び複数の読み出し回路230iをそれぞれ制御する(駆動する)。
The
読み出し回路230は、ホールド容量(保持部)46、演算増幅器(演算増幅部)40、及びスイッチ(遮断部)45を備える。ホールド容量46は、その一端が演算増幅器40の非反転入力端子(参照入力ノード)(+)及びスイッチ45に接続されている。ホールド容量46の他端は、電源もしくはGNDなど(固定電位)の低インピーダンス配線に接続されている。
The
複数の読み出し回路230iは、それぞれ、ホールド容量46とスイッチ45とを読み出し回路230と共有する。すなわち、複数の読み出し回路230,230iにおける全ての読み出し回路は、ホールド容量46とスイッチ45とが共通化されている。
Each of the plurality of
なお、次の点は、図9に示す光電変換装置100と同様である。画素配列では、複数個の画素GU11〜GUmn(m:自然数,n:自然数)が二次元状に(行方向及び列方向に)配列されている。垂直シフトレジスタ223は、読み出し行(画素の行)を選択する。選択された行の各画素では、フォトダイオード(光電変換部)101が、入射光を電気信号に変換する。フォトダイオード101から転送トランジスタ102経由でフローティングディフュージョン(以下、FDとする)に読み出された電荷による信号が、増幅トランジスタ(増幅部)104により信号(ノイズ信号又は光信号)に変換される。その出力信号は、画素の各列ごとに垂直信号線106を介して読み出し回路230,230iに読み出されて保持される。水平シフトレジスタ39は、順次に水平転送スイッチ34をONして、各列の読み出し回路230、230iに保持された信号を順次に水平信号線35及び出力回路38を介して出力する。
Note that the following points are the same as those of the
演算増幅器40とホールド容量46との詳細構成を、図3を用いて説明する。図3及び図4の説明では、トランジスタ41及びトランジスタ45を、機能的に、第1スイッチ41及び第2スイッチ45と呼ぶことにする。
A detailed configuration of the
演算増幅器40の非反転入力端子(+)には、ホールド容量46の一端が接続されている。ホールド容量46の他端は、GNDに接続されている。また、演算増幅器40の非反転入力端子(+)は、第2スイッチ45を介して外部に接続されている。
One end of a
一方、演算増幅器40の反転入力端子(−)には、クランプ容量31を介して垂直信号線106が接続されている。演算増幅器40の出力端子と反転入力端子(−)との間には、第1スイッチ41及び帰還容量42が並列に接続されている。
On the other hand, the
次に、演算増幅器40とホールド容量46との詳細動作を、図4を用いて説明する。
Next, detailed operations of the
タイミングT1直前のタイミング(供給ステップ)では、垂直シフトレジスタ223(制御部、図1参照)は、PCVR信号をHiにしている(活性化している)。これにより、ホールド容量46と外部電源との間に設けられる第2スイッチ45がONしており、外部電源からホールド容量46に参照電圧(固定電位)VREFが参照電圧ラインを介して供給(充電)されている。
At the timing (supplying step) immediately before timing T1, the vertical shift register 223 (control unit, see FIG. 1) sets the PCVR signal to Hi (activated). As a result, the
信号読み出し期間前のタイミングT1(遮断ステップ)では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PCVR信号をHiからLowにする(非活性化する)。これにより、ホールド容量46と外部電源との間に設けられる第2スイッチ45がOFFして、外部電源とホールド容量46とが電気的に遮断される。そして、ホールド容量46は、参照電圧を保持する。
At timing T1 (blocking step) before the signal readout period, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) changes the PCVR signal from Hi to Low (deactivates). As a result, the
タイミングT2では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PCOR信号をLowからHiにする(活性化する)。これにより、演算増幅器40の反転入力端子と出力端子との間に接続される第1スイッチ41がONするため、演算増幅器40は電圧フォロワ状態となり、演算増幅器40の出力が参照電圧VREFにリセットされる。
At timing T2, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) changes the PCOR signal from Low to Hi (activates). As a result, the
タイミングT3では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PCOR信号をHiからLowにする(非活性化する)。これにより、演算増幅器40の反転入力端子と出力端子の間に接続される第1スイッチ41がOFFするため、演算増幅器40は帰還容量42を介して出力から入力へ帰還がかかる状態となる。そして、演算増幅器40は、外部から入力された参照電圧VREFに基づいて、クランプ容量31に蓄積された信号を帰還容量42とクランプ容量31との容量比に応じて増幅する。
At timing T3, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) changes the PCOR signal from Hi to Low (deactivates). As a result, the
タイミングT3〜T4の期間(増幅ステップ)において、クランプ容量31は、垂直信号線106を介して伝達されたノイズ信号や光信号を蓄積する。演算増幅器40は、ノイズ信号と光信号との差分に応じた信号を増幅して出力する。
タイミングT4では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PT信号をLowからHiにする(活性化する)。これにより、トランジスタ32(図2参照)がONして、演算増幅器40から出力された信号(差分の信号)がラインメモリ33へ供給される。
In the period (amplification step) from timing T3 to T4, the
At timing T4, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) changes (activates) the PT signal from Low to Hi. As a result, the transistor 32 (see FIG. 2) is turned on, and the signal (difference signal) output from the
タイミングT5では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PT信号をHiからLowにする(非活性化する)。これにより、トランジスタ32(図2参照)がOFFして、演算増幅器40とラインメモリ33とが遮断される。
At timing T5, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) changes the PT signal from Hi to Low (deactivates). Thereby, the transistor 32 (see FIG. 2) is turned OFF, and the
タイミングT6では、垂直シフトレジスタ223(図1参照)は、PCVR信号をHiにしている(活性化している)。これにより、ホールド容量46と外部電源との間に設けられる第2スイッチ45がONしており、外部電源からホールド容量46に参照電圧VREFが再び供給(充電)されている。
At timing T6, the vertical shift register 223 (see FIG. 1) sets the PCVR signal to Hi (activated). As a result, the
以上のように、ノイズ信号・光信号をサンプルホールドしたり、ノイズ信号と光信号との差分を演算する際に、外部とホールド容量46とが電気的に遮断されている。すなわち、垂直シフトレジスタ223は、演算増幅器40が各列の画素の信号を増幅する際に外部とホールド容量46とを電気的に遮断するように、第2スイッチ45を制御する。これにより、ホールド容量46から演算増幅器40へ供給される参照電圧VREFに対する外乱ノイズからの影響を低減できる。すなわち、ノイズ信号読み出し時と光信号読み出し時とにおける参照電圧の時間的変動を抑えられるため、外乱ノイズが信号に重畳することを低減でき、画像に横縞状のランダムノイズが現れることを低減できる。
As described above, when the noise signal / optical signal is sampled and held or the difference between the noise signal and the optical signal is calculated, the outside and the
また、ホールド容量46が全列に共通に設けられている(図1、図2参照)ため、回路スペースも確保できるとともに、ホールド容量46の特性ばらつきが画像に与える影響を低減できる。
In addition, since the
さらに、PT信号が非活性化した直後にPCVR信号が活性化されているので、ホールド容量46に参照電圧VREFを充電するための時間が十分確保されている。
Further, since the PCVR signal is activated immediately after the PT signal is deactivated, a sufficient time for charging the
なお、演算増幅器40の非反転入力端子(+)と外部との間に設けられる第2スイッチ45は、信号読み出し期間中の少なくともノイズ信号読み出し時と光信号読み出し時との間でOFFするように動作してもよい。
It should be noted that the
また、ホールド容量46は、接合容量などの寄生容量として形成されていても良い。この場合、ホールド容量46を形成するためのスペースを節約でき、回路スペースをさらに確保できる。
The
次に、第1実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの一例を、図5を用いて説明する。図5は、第1実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図である。 Next, an example of an imaging system to which the photoelectric conversion device according to the first embodiment is applied will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram of an imaging system to which the photoelectric conversion device according to the first embodiment is applied.
撮像システム90は、図5に示すように、主として、光学系、撮像装置186及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター91、撮影レンズ92及び絞り93を備える。撮像装置186は、光電変換装置200を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路95、A/D変換器96、画像信号処理部97、メモリ部87、外部I/F部89、タイミング発生部98、全体制御・演算部99、記録媒体88及び記録媒体制御I/F部94を備える。なお、信号処理部は、記録媒体88を備えなくても良い。
As shown in FIG. 5, the
シャッター91は、光路上において撮影レンズ92の手前に設けられ、露出を制御する。
The
撮影レンズ92は、入射した光を屈折させて、撮像装置186の光電変換装置200の撮像面へ被写体の像を形成する。
The
絞り93は、光路上において撮影レンズ92と光電変換装置200との間に設けられ、撮影レンズ92を通過後に光電変換装置200へ導かれる光の量を調節する。
The
撮像装置186の光電変換装置200は、光電変換装置200に結像された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置186は、その画像信号を光電変換装置200から読み出して出力する。
The
撮像信号処理回路95は、撮像装置186に接続されており、撮像装置186から出力された画像信号を処理する。
The imaging
A/D変換器96は、撮像信号処理回路95に接続されており、撮像信号処理回路95から出力された処理後の画像信号(アナログ信号)をデジタル信号へ変換する。
The A /
画像信号処理部97は、A/D変換器96に接続されており、A/D変換器96から出力された画像信号(デジタル信号)に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部87、外部I/F部89、全体制御・演算部99及び記録媒体制御I/F部94などへ供給される。
The image
メモリ部87は、画像信号処理部97に接続されており、画像信号処理部97から出力された画像データを記憶する。
The
外部I/F部89は、画像信号処理部97に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、外部I/F部89を介して外部の機器(パソコン等)へ転送する。
The external I /
タイミング発生部98は、撮像装置186、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97に接続されている。これにより、撮像装置186、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置186、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97がタイミング信号に同期して動作する。
The
全体制御・演算部99は、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94に接続されており、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94を全体的に制御する。
The overall control /
記録媒体88は、記録媒体制御I/F部94に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、記録媒体制御I/F部94を介して記録媒体88へ記録する。
The recording medium 88 is detachably connected to the recording medium control I / F unit 94. Thereby, the image data output from the image
以上の構成により、光電変換装置200において良好な画像信号が得られれば、良好な画像(画像データ)を得ることができる。
With the above configuration, if a good image signal is obtained in the
次に、本発明の第2実施形態に係る光電変換装置を、図6を参照して説明する。図6は、本発明の第2実施形態に係る光電変換装置の構成図である。なお、第1実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。 Next, a photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention. In addition, it demonstrates centering on a different part from 1st Embodiment, and abbreviate | omits description about the same part.
光電変換装置300は、読み出し回路230の代わりに読み出し回路330を備え、読み出し回路230iの代わりに読み出し回路330を備える。2列目以降の読み出し回路330は、1列目の読み出し回路330と同様の構成をしており、演算増幅器60の非反転入力端子(+)にホールド容量66の一端が接続されている点で、読み出し回路230iと異なる。ホールド容量66の他端は、GNDに接続されている。演算増幅器60及びホールド容量66を動作させるための信号のタイミングチャートは図4と同様である。すなわち、複数の読み出し回路330は、それぞれ、演算増幅器60、ホールド容量66、及び、スイッチ65を含む。
The
このように、ホールド容量66及びスイッチ65が、画素GU11〜GUmnの列ごとに個別に設けられている。これにより、ノイズ信号読み出し時と光信号読み出し時とにおける参照電圧の時間的変動を抑えられる点は、第1実施形態と同様である。したがって、このような光電変換装置300によっても、外乱ノイズが信号に重畳することを低減でき、横縞状のランダムノイズを低減することができる。
Thus, the
さらに、ノイズ信号・光信号をサンプルホールドしたり、ノイズ信号と光信号との差分を演算する際に、外部と演算増幅器とが電気的に遮断されているので、チップ内部のクロストークも軽減できる。 Furthermore, when sampling and holding a noise signal / optical signal or calculating a difference between the noise signal and the optical signal, the external and the operational amplifier are electrically cut off, so that crosstalk inside the chip can be reduced. .
次に、本発明の第3実施形態に係る光電変換装置を、図7を参照して説明する。図7は、本発明の第3実施形態に係る光電変換装置の構成図である。なお、第1実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。 Next, a photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the third embodiment of the present invention. In addition, it demonstrates centering on a different part from 1st Embodiment, and abbreviate | omits description about the same part.
光電変換装置400は、読み出し回路230の代わりに読み出し回路430を備え、読み出し回路230iの代わりに読み出し回路430iを備える。
The
読み出し回路430は、画素GU11〜GUmnのk列ごと(k<n;自然数)に設けられている。読み出し回路430iは、それ以外の列に設けられている。
The
例えば、第1列目に読み出し回路430が設けられていた場合、第2列目〜第k列目に読み出し回路430iが設けられる。そして、第k+1列目に再び読み出し回路430が設けられる。以下、同様に繰り返される。すなわち、複数の読み出し回路は、ホールド容量86とスイッチ85とが共通化された読み出し回路群(430,430i)の繰り返しで構成される。演算増幅器80及びホールド容量86を動作させるための信号のタイミングチャートは図4と同様である。
For example, when the
このように、ホールド容量86が、k列に共通に設けられているため、回路スペースを確保できる。また、ノイズ信号・光信号をサンプルホールドしたり、ノイズ信号と光信号との差分を演算する際に、外部と演算増幅器とが電気的に遮断されているので、チップ内部のクロストークも軽減できる。
Thus, since the
ノイズ信号読み出し時と光信号読み出し時とにおける参照電圧の時間的変動を抑えられる点は、第1実施形態と同様である。したがって、このような光電変換装置400によっても、外乱ノイズが信号に重畳することを低減でき、横縞状のランダムノイズを低減することができる。
Similar to the first embodiment, the temporal variation of the reference voltage during reading of the noise signal and reading of the optical signal can be suppressed. Therefore, even with such a
また、ここではk列分の読み出し回路に対してホールド容量86とスイッチ85とが共通化され、これが繰り返す例を示したが、同じ数の列で共通化した単位が繰り返す構成以外にも、共通化する列の数が異なる単位が存在してもよい。すなわち、複数の読み出し回路のうち少なくとも一部でホールド容量とスイッチとを共通化していれば良い。
In addition, here, an example in which the
本発明の第4実施形態にかかる光電変換装置を、図8を参照して説明する。図8は、本発明の第4実施形態に係る光電変換装置の構成図である。ここでは、第1実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。 A photoelectric conversion device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. Here, the description will focus on parts that are different from the first embodiment, and description of similar parts will be omitted.
光電変換装置500は、複数の出力経路(第1の出力経路及び第2の出力経路)を備える点で第1実施形態と異なる。第1の出力経路は、第1の読み出し回路530−1、530i−1を含む。第2の出力経路は、第2の読み出し回路530−2,530i−2を含む。第1の読み出し回路530−1,530i−1は、複数の垂直信号線106の少なくとも一部の一端に接続されている。第2の読み出し回路1,530−2,530i−2は、第1の読み出し回路の接続された複数の垂直信号線とは異なる、複数の垂直信号線106の少なくとも一部の他端に接続されている。
The
例えば、図面左側から1列目の画素列(第1の列)に属する画素は、垂直信号線106を介して、第1の読み出し回路530−1に接続される。それ以外の左側から数えて奇数列の画素列(第1の列)に属する画素は、それぞれの列に対応して設けられる第1の読み出し回路530i−1に接続される。第1の読み出し回路530−1及び530i−1は、それぞれ、接続された画素から出力された信号を第1の出力線116−1へ出力する。
For example, pixels belonging to the first pixel column (first column) from the left side of the drawing are connected to the first readout circuit 530-1 through the
一方、図面左側から2列目の画素列(第2の列)に属する画素は、第2の読み出し回路530−2に接続される。その他の偶数列の画素列(第2の列)に属する画素は、それぞれの列に対応して設けられる第2の読み出し回路530i−2に接続される。第2の読み出し回路530−2及び530i−2は、それぞれ、接続された画素から出力された信号を第2の出力線116−2へ出力する。 On the other hand, the pixels belonging to the second pixel column (second column) from the left side of the drawing are connected to the second readout circuit 530-2. Pixels belonging to other even-numbered pixel columns (second column) are connected to a second readout circuit 530 i-2 provided corresponding to each column. The second readout circuits 530-2 and 530i-2 each output a signal output from the connected pixel to the second output line 116-2.
このように、第1の出力経路に含まれる第1の読み出し回路が第1の列の画素から信号を読み出す動作と、第2の出力経路に含まれる前記第2の読み出し回路が第2の列の画素から信号を読み出す動作とは、並行して行われる。これにより、高速に信号を読み出すことが可能となる。 In this way, the first readout circuit included in the first output path reads out signals from the pixels in the first column, and the second readout circuit included in the second output path is in the second column. The operation of reading out signals from the pixels is performed in parallel. As a result, signals can be read out at high speed.
なお、第1の読み出し回路530−1と530i−1とでホールド容量96−1と第2のスイッチ95−1とを共有し、第2の読み出し回路530−2と530i−2とでホールド容量96−2と第2のスイッチ95−2とを共有する。すなわち、複数の第1の読み出し回路530−1,530i−1における全ての読み出し回路は、ホールド容量96−1とスイッチ95−1とが共通化されている。複数の第2の読み出し回路530−2,530i−2における全ての読み出し回路は、ホールド容量96−2とスイッチ95−2とが共通化されている。 Note that the first read circuits 530-1 and 530i-1 share the hold capacitor 96-1 and the second switch 95-1, and the second read circuits 530-2 and 530i-2 share the hold capacitor. 96-2 and the second switch 95-2 are shared. That is, the hold capacitor 96-1 and the switch 95-1 are shared by all the read circuits in the plurality of first read circuits 530-1 and 530i-1. A hold capacitor 96-2 and a switch 95-2 are shared by all the read circuits in the plurality of second read circuits 530-2 and 530i-2.
また、本実施形態では一方の側の読出し回路530−nと530i−nとでホールド容量とスイッチとを共有する構成を示したが、第2実施形態や第3実施形態のように構成してもよい。すなわち、複数の第1の読み出し回路は、それぞれ、演算増幅器、ホールド容量、及び、スイッチを含み、複数の第2の読み出し回路は、それぞれ、演算増幅器、ホールド容量、及び、スイッチを含んでもよい。あるいは、複数の第1の読み出し回路は、ホールド容量とスイッチとが共通化された第1の読み出し回路群の繰り返しで構成され、複数の前記第2の読み出し回路は、ホールド容量とスイッチとが共通化された第2の読み出し回路群の繰り返しで構成されてもよい。また、複数の前記第1及び第2のそれぞれの出力経路において、一部の読み出し回路でホールド容量とスイッチとを共通化した構成であってもよい。つまり、複数の前記第1及び第2のそれぞれの読み出し回路において、少なくとも一部でホールド容量とスイッチとを共通化した構成であってもよい。 In the present embodiment, the read circuit 530-n and 530i-n on one side share the hold capacitor and the switch. However, the read circuits 530-n and 530i-n share the hold capacitor and the switch. Also good. That is, each of the plurality of first readout circuits may include an operational amplifier, a hold capacitor, and a switch, and each of the plurality of second readout circuits may include an operational amplifier, a hold capacitor, and a switch. Alternatively, the plurality of first readout circuits are configured by repeating a first readout circuit group in which a hold capacitor and a switch are shared, and the plurality of second readout circuits have a common hold capacitor and a switch. It may be configured by repeating the second read circuit group. Further, in some of the plurality of first and second output paths, a configuration in which a hold capacitor and a switch are shared by some of the readout circuits may be used. In other words, in each of the plurality of first and second readout circuits, at least a part of the hold capacitor and the switch may be shared.
更に、読み出すチャンネルの数は2に限られるものではない。 Furthermore, the number of channels to be read is not limited to two.
上述の実施形態は、いずれもホールド容量がスイッチに対して並列に接続される例を示しているが、ホールド容量はスイッチと直列に接続される構成でもよい。ただし、その場合には演算増幅器の参照入力側端子に接続されるホールド容量の端子にリセット電位(固定電位)を与えるための構成を追加する必要がある。具体的には、例えば、ホールド容量の演算増幅器の参照入力端子に接続される側の端子を、スイッチ(リセットスイッチ)を介して前述のリセット電位を供給する電源と接続する構成が考えられる。 In the above-described embodiments, the hold capacitor is connected in parallel to the switch. However, the hold capacitor may be connected in series with the switch. In this case, however, it is necessary to add a configuration for applying a reset potential (fixed potential) to the terminal of the hold capacitor connected to the reference input side terminal of the operational amplifier. Specifically, for example, a configuration in which a terminal connected to a reference input terminal of an operational amplifier of a hold capacitor is connected to a power supply that supplies the above-described reset potential via a switch (reset switch) is conceivable.
40,60,80,120 演算増幅器
46,66,86,96−1,96−2 ホールド容量
100,200,300,400,500 光電変換装置
40, 60, 80, 120
本発明の第1側面に係る光電変換装置は、複数の画素が行方向及び列方向に配列され、前記複数の画素のそれぞれが、光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷による信号を増幅する増幅部とを含む画素配列と、前記画素配列における各列の画素から垂直信号線を介して信号を読み出す複数の読み出し回路を含む読み出し部と、前記読み出し部を制御する制御部と、を備え、前記読み出し部は、外部から供給された参照電圧を保持する保持部と、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断する遮断部とを含み、前記複数の読み出し回路の各々は、クランプ容量と、一方の入力ノードが前記クランプ容量を介して前記垂直信号線と接続され、他方の入力ノードが前記保持部と接続された差動増幅器とを含み、前記差動増幅器は、前記保持部と前記外部とが前記遮断部により電気的に遮断された状態が維持されたまま、前記画素から順次に出力されるノイズ信号と光信号との差分に応じた信号を増幅する。In the photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention, a plurality of pixels are arranged in a row direction and a column direction, and each of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit and a signal based on charges accumulated in the photoelectric conversion unit. A pixel array including an amplifying unit for amplifying the signal, a read unit including a plurality of read circuits that read signals from pixels in each column in the pixel array via a vertical signal line, a control unit that controls the read unit, The reading unit includes a holding unit that holds a reference voltage supplied from the outside, and a blocking unit that electrically cuts off the outside and the holding unit, and each of the plurality of reading circuits includes: A clamp capacitor; and a differential amplifier in which one input node is connected to the vertical signal line through the clamp capacitor, and the other input node is connected to the holding unit. Part The left and the outside is maintained a state of being electrically disconnected by the cutoff unit, it amplifies a signal corresponding to the difference between the noise signal and the optical signals sequentially output from the pixel.
本発明の第3側面に係る光電変換装置の駆動方法は、複数の画素が行方向及び列方向に配列され、前記複数の画素のそれぞれが光電変換部および前記光電変換部に蓄積された電荷による信号を増幅する増幅部を含む画素配列と、前記画素配列における各列の画素から垂直信号線を介して信号を読み出す複数の読み出し回路を含む読み出し部と、を備える光電変換装置の駆動方法であって、前記読み出し部は、外部から供給された参照電圧を保持する保持部と、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断する遮断部とを含み、前記複数の読み出し回路の各々は、クランプ容量と、一方の入力ノードが前記クランプ容量を介して前記垂直信号線と接続され、他方の入力ノードが前記保持部と接続された差動増幅器とを含み、前記駆動方法は、前記保持部と前記外部とが前記遮断部により電気的に遮断された状態が維持されたまま、前記差動増幅器に、前記画素から順次に出力されるノイズ信号と光信号との差分に応じた信号を増幅させるステップを含む。In the driving method of the photoelectric conversion device according to the third aspect of the present invention, a plurality of pixels are arranged in a row direction and a column direction, and each of the plurality of pixels is based on a charge accumulated in the photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion unit. A method for driving a photoelectric conversion device, comprising: a pixel array including an amplifier that amplifies a signal; and a read unit including a plurality of read circuits that read signals from pixels in each column in the pixel array via vertical signal lines. The reading unit includes a holding unit that holds a reference voltage supplied from outside, and a blocking unit that electrically cuts off the outside and the holding unit, and each of the plurality of reading circuits includes a clamp. And a differential amplifier in which one input node is connected to the vertical signal line through the clamp capacitor and the other input node is connected to the holding unit, and the driving method includes the holding method. The signal corresponding to the difference between the noise signal and the optical signal sequentially output from the pixel is supplied to the differential amplifier while maintaining the state in which the block and the outside are electrically blocked by the blocking unit. Amplifying.
本発明は、光電変換装置、撮像システム、および、光電変換装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, an imaging system, and a driving method of the photoelectric conversion device.
Claims (16)
前記画素配列における各列の画素から信号を読み出す複数の読み出し回路と、
前記複数の読み出し回路のそれぞれを制御する制御部と、
を備え、
前記複数の読み出し回路は、
外部から供給された参照電圧を保持する保持部と、
前記保持部で保持した前記参照電圧に基づいて、前記各列の画素の信号を増幅する演算増幅部と、
前記外部と前記保持部とを電気的に遮断する遮断部と、
を含み、
前記制御部は、前記演算増幅部が前記各列の画素の信号を増幅する際に前記外部と前記保持部とを電気的に遮断するように、前記遮断部を制御する
ことを特徴とする光電変換装置。 A pixel array in which a plurality of pixels are arranged in a row direction and a column direction;
A plurality of readout circuits for reading out signals from pixels in each column in the pixel array;
A control unit for controlling each of the plurality of readout circuits;
With
The plurality of readout circuits include
A holding unit for holding a reference voltage supplied from the outside;
Based on the reference voltage held by the holding unit, an operational amplification unit that amplifies the signal of the pixel in each column;
A blocking portion for electrically blocking the outside and the holding portion;
Including
The control unit controls the blocking unit so as to electrically block the outside and the holding unit when the operational amplification unit amplifies the signal of the pixel in each column. Conversion device.
光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷による信号を増幅する増幅部と、
を含み、
前記複数の読み出し回路の少なくとも一部の読み出し回路は、
参照入力ノードを介して入力される電圧に基づいて、前記画素の前記増幅部から入力された信号を増幅する演算増幅器と、
前記参照入力ノードに接続されたホールド容量と、
前記参照電圧が供給される参照電圧ラインと、前記ホールド容量との間に接続されたスイッチと、
を含み、
前記制御部は、前記演算増幅器が前記各列の画素の信号を増幅する際に前記参照電圧ラインと前記演算増幅器とを遮断するように、前記スイッチを制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit;
An amplifying unit for amplifying a signal due to charges accumulated in the photoelectric conversion unit;
Including
At least a part of the plurality of readout circuits includes:
An operational amplifier that amplifies a signal input from the amplification unit of the pixel based on a voltage input via a reference input node;
A hold capacitor connected to the reference input node;
A switch connected between a reference voltage line to which the reference voltage is supplied and the hold capacitor;
Including
2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls the switch so as to shut off the reference voltage line and the operational amplifier when the operational amplifier amplifies the signal of the pixel of each column. The photoelectric conversion device described.
ことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion apparatus according to claim 2, wherein one end of the hold capacitor is connected to the reference input node, and the other end is connected to a fixed potential.
ことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 The hold capacitor has one end connected to the reference input node, the other end connected to the switch, and the one end connected to a power source that supplies a fixed potential via a reset switch. The photoelectric conversion device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 5. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein all of the readout circuits in the plurality of readout circuits share the hold capacitor and the switch. 6.
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 5. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein each of the plurality of readout circuits includes the operational amplifier, the hold capacitor, and the switch.
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 5. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the plurality of readout circuits are configured by repetition of a readout circuit group in which the hold capacitor and the switch are shared. 6.
前記複数の読み出し回路は、
前記複数の垂直信号線の少なくとも一部の一端に接続された第1の読み出し回路と、
前記第1の読み出し回路の接続された前記複数の垂直信号線とは異なる、前記複数の垂直信号線の少なくとも一部の他端に接続された第2の読み出し回路と、
を含み、
前記第1の読み出し回路が第1の列の画素から信号を読み出す動作と、前記第2の読み出し回路が第2の列の画素から信号を読み出す動作とは、並行して行われる
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 A plurality of vertical signal lines connected to the pixels of each column in the pixel array;
The plurality of readout circuits include
A first readout circuit connected to one end of at least a part of the plurality of vertical signal lines;
A second readout circuit connected to the other end of at least a part of the plurality of vertical signal lines, which is different from the plurality of vertical signal lines to which the first readout circuit is connected;
Including
The operation in which the first readout circuit reads out signals from the pixels in the first column and the operation in which the second readout circuit reads out signals from the pixels in the second column are performed in parallel. The photoelectric conversion device according to any one of claims 2 to 4.
複数の前記第2の読み出し回路における全ての読み出し回路は、前記ホールド容量と前記スイッチとが共通化されている
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。 In all the read circuits in the plurality of first read circuits, the hold capacitor and the switch are shared,
The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein the hold capacitor and the switch are shared by all the read circuits in the plurality of second read circuits.
複数の前記第2の読み出し回路は、それぞれ、前記演算増幅器、前記ホールド容量、及び、前記スイッチを含む
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。 Each of the plurality of first readout circuits includes the operational amplifier, the hold capacitor, and the switch,
The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein each of the plurality of second readout circuits includes the operational amplifier, the hold capacitor, and the switch.
複数の前記第2の読み出し回路は、前記ホールド容量と前記スイッチとが共通化された第2の読み出し回路群の繰り返しで構成される
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。 The plurality of first readout circuits are configured by repetition of a first readout circuit group in which the hold capacitor and the switch are shared,
The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein the plurality of second readout circuits are configured by repeating a second readout circuit group in which the hold capacitor and the switch are shared.
ことを特徴とする請求項2から11のいずれか1項に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the hold capacitor is formed as a parasitic capacitor.
前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。 The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 12,
An optical system that forms an image on the imaging surface of the photoelectric conversion device;
A signal processing unit that processes the signal output from the photoelectric conversion device to generate image data;
An imaging system comprising:
外部から参照電圧を前記保持部に供給する供給ステップと、
前記供給ステップの後に、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断させる遮断ステップと、
前記遮断ステップの後に、前記保持部が保持する前記参照電圧に基づいて、各列の画素の信号を増幅させる増幅ステップと、
を備えたことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。 A holding unit that holds a reference voltage supplied from the outside, and a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in a row direction and a column direction; and a readout circuit that reads out signals from the pixels in the pixel array A method for driving a photoelectric conversion device including:
A supply step of supplying a reference voltage to the holding unit from the outside;
After the supplying step, a blocking step for electrically blocking the outside and the holding unit;
After the blocking step, an amplification step of amplifying the pixel signals of each column based on the reference voltage held by the holding unit;
A method for driving a photoelectric conversion device comprising:
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 5. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein at least a part of the plurality of readout circuits share the hold capacitor and the switch. 6.
複数の前記第2の読み出し回路の少なくとも一部は、前記ホールド容量と前記スイッチとが共通化されている
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。 At least some of the plurality of first readout circuits share the hold capacitor and the switch,
9. The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein at least a part of the plurality of second readout circuits share the hold capacitor and the switch.
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