JP2013197880A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響により変動しデジタル信号の下位ビットの精度が低下することなく、高い精度でアナログデジタル変換を行う。
【解決手段】撮像部から出力されたノイズ成分を含む第１アナログ信号と、ノイズ成分と光に応じた成分とを含む第２アナログ信号とを第１デジタル信号と第２デジタル信号とに変換する。変換部は第１処理部及び第２処理部を備え、第１処理部はアナログ信号と第１基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を計測した結果にしたがってデジタル信号の上位ビットを生成し、第２処理部は大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始し、所定時間が経過したことに応じて充電を終了し、容量の電圧と第２基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間をカウントすることによってデジタル信号の下位ビットを生成する。第１デジタル信号と第２デジタル信号の差分が減算処理によって算出される。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

画素信号のアナログデジタル変換（以下、ＡＤ変換）を高精度化する方法の１つとして、特許文献１には、列並列型のＡＤ変換装置が開示されている。該ＡＤ変換装置は、第１ＡＤ変換装置（第１処理部）と第２ＡＤ変換装置（第２処理部）とを含み、第１処理部が第１のＡＤ変換を行ってデジタル信号の上位ビットを生成した後に、第２処理部が第２のＡＤ変換を行って下位ビットを生成する。第１処理部は、対象のアナログ信号と基準電圧とを比較することによって第１のＡＤ変換を行う。第２処理部は、第１処理部の該比較の結果に応じて、定電流源によって容量の充電を開始し、その直後のクロック信号のエッジ（例えば、上昇エッジ）に応答して該充電を終了する。その後、第２処理部は、該容量の電圧を保持し、第２のＡＤ変換を行う。

特開２００７−２４３３２４号公報

図９は、上記動作中における、基準電圧Ｖｒｅｆ、アナログ信号ＶＡ、基準電圧Ｖｒｅｆとアナログ信号ＶＡとを比較する比較器の出力ＣＯＭＰ、容量の電圧ＶＣ、及びクロック信号ｃｌｋのそれぞれの状態を示した図である。ここでは、基準電圧Ｖｒｅｆとアナログ信号ＶＡとの大小関係の逆転によって出力ＣＯＭＰが反転（例えば、Ｌｏｗ状態からＨｉ状態に遷移）してから、その直後のクロック信号ｃｌｋの上昇エッジまでの期間ｔｃにわたって、該容量の充電がなされている。

しかしながら、該容量の充電を開始したとき、スイッチの切り替え等のノイズにより、該容量の電圧ＶＣは変動しうる。よって、該充電の期間ｔｃが、ノイズが収まるのに必要な時間に対して小さい場合は、本来ＡＤ変換がなされるべき電圧値（ＶＣ１）ではなく、ノイズにより変動された電圧値（ＶＣ２）についてＡＤ変換がなされてしまう。このことは、デジタル信号の精度の低下をもたらしうる。

本発明の目的は、高精度でＡＤ変換を行うのに有利な技術を提供することにある。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、複数の画素が配された画素部を含む撮像部、及び前記撮像部から出力された第１アナログ信号と第２アナログ信号とをそれぞれ第１デジタル信号と第２デジタル信号とに変換して出力する変換部を備え、前記第１アナログ信号はノイズ成分を含み、前記第２アナログ信号は該ノイズ成分と前記画素部に入射した光に応じた成分とを含み、前記変換部は、第１処理部、及び第２処理部を備え、前記第１処理部は、前記撮像部から出力されたアナログ信号と第１基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を計測した結果にしたがって該アナログ信号に対応するデジタル信号の上位ビットを生成し、第１エッジと第２エッジとを有するクロック信号が供給される前記第２処理部は、前記第１処理部における前記大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始し、その直後の前記クロック信号の前記第１エッジの後から所定時間が経過したことに応じて前記容量の充電を終了し、その後、前記容量の電圧と第２基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を、前記クロック信号をカウントすることによって該デジタル信号の下位ビットを生成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、高精度でＡＤ変換を行うのに有利な技術を提供することができる。

第１実施形態の固体撮像装置の構成例を説明する図。 第１実施形態で用いたステートマシンの構成例を説明する図。 第１実施形態の固体撮像装置を駆動する方法を説明する図。 図３Ａの一部を拡大した図。 固体撮像装置を駆動しているときの波形を説明する図。 第２実施形態の固体撮像装置の構成例を説明する図。 第２実施形態の固体撮像装置を駆動する方法を説明する図。 第３実施形態の固体撮像装置の構成例を説明する図。 第３実施形態の固体撮像装置を駆動する方法を説明する図。 下位ビット生成用の容量の充電時において生じうるノイズを説明する図。

＜第１実施形態＞
図１乃至４を参照しながら、第１実施形態の固体撮像装置１を説明する。固体撮像装置１は、図１に例示されるように、撮像部１０及び変換部３０を備えている。撮像部１０は、複数の画素１０１が配された画素部２０を備えており、ここでは簡易化のため、２行×２列の画素１０１を描いている。変換部３０は、撮像部１０から出力された画素信号、又は該画素信号を増幅した信号等のアナログ信号をデジタル信号に変換しうる。ここで、変換部３０は、第１処理部３１及び第２処理部３２を備えており、ここでは、画素部２０の各列に１つずつ配されている。また、固体撮像装置１は、複数の画素１０１のそれぞれを行ごとに制御する垂直走査回路１３０を備えうる。

画素１０１は、光電変換部１０２、転送トランジスタ１０３、フローティングディフュージョンノード１０４（ＦＤノード１０４）、リセットトランジスタ１０５、ソースフォロワトランジスタ１０６、及び選択トランジスタ１０７を含んでいる。光電変換部１０２として、ここでは、フォトダイオードを用いている。転送トランジスタ１０３のゲート端子は、制御信号ｐｔｘ用の信号配線に接続されている。制御信号ｐｔｘが活性化されると、光電変換部１０２において受光によって発生し蓄積された電荷が、転送トランジスタ１０３によって、ＦＤノード１０４に転送される。ソースフォロワトランジスタ１０６に流れる電流量は、ＦＤノード１０４に転送された電荷量の変動に応じて変化しうる。選択トランジスタ１０７のゲート端子は、制御信号ｐｓｅｌ用の信号配線に接続されている。制御信号ｐｓｅｌが活性化されると、選択トランジスタ１０７は、ソースフォロワトランジスタ１０６の電流量に応じた画素信号を列信号線１０８に出力しうる。また、リセットトランジスタ１０５のゲート端子は、制御信号ｐｒｅｓ用の信号配線に接続されている。制御信号ｐｒｅｓが活性化されると、リセットトランジスタ１０５はＦＤノード１０４の電位をリセットしうる。

撮像部１０の各列に対応する列信号線１０８のそれぞれには、トランジスタ１０９が配されている。トランジスタ１０９は、定電流源１３４及びトランジスタ１３５を用いてカレントミラー回路を形成することよって、一定の電流を流す定電流源として用いられている。撮像部１０は、画素部２０から読み出された画像信号を増幅する増幅器（不図示）を含んでもよい。

第１処理部３１のそれぞれは、第１比較器１１０、ステートマシン１２９、及び第１カウンタ１５０を含んでいる。第１比較器１１０の非反転入力端子（「＋」で表記）には、列信号線１０８が接続されている。第１比較器１１０の反転入力端子（「−」で表記）には、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（ここでは、ランプ信号を用いる）が入力されている。第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は、端子１４０から入力されている。第１比較器１１０の出力ＣＯＭＰ０１は、信号配線１２０を介してステートマシン１２９に入力されている。また、ステートマシン１２９には、制御端子１４１からクロック信号ｃｌｋが入力され、制御端子１４２からリセット信号ｒｓｔが入力されている。これらの入力に応じて、ステートマシン１２９は、信号配線１２１及び１２２を介して、以下に述べる動作にしたがった信号を出力しうる。

図２は、本実施形態で用いるステートマシン１２９を示している。ステートマシン１２９は、例として、フリップフロップ回路３０３及び３０４を用いて構成されている。制御端子１４１から、第１エッジと第２エッジを有するクロック信号ｃｌｋが入力される。ここでは、第１エッジを上昇エッジとし、第２エッジを下降エッジとするが、これは逆にしてもよい。ステートマシン１２９は、第１比較器１１０の出力信号ＣＯＭＰ０１が反転した後からクロック信号ｃｌｋの２つ目の第１エッジが入力されたときに、信号ＣＯＭＰ０１を、信号配線１２２を介して出力しうる。ここではフリップフロップ回路３０３及び３０４の２段としたが、この段数を変更することによって、信号ＣＯＭＰ０１の入力と信号配線１２２を介して為される出力とのタイミングを調整することができる。また、リセット信号ｒｓｔが活性化することにより、フリップフロップ回路３０３及び３０４は初期化されうる。また、ステートマシン１２９から信号配線１２１を介して為される出力は、第１比較器１１０の出力信号ＣＯＭＰ０１をバッファ３０１によってバッファリングしたものである。信号配線１２１は、第１カウンタ１５０の入力、及び第２処理部３２に含まれるスイッチトランジスタ１１４のゲート端子と接続されている。信号配線１２２は、第２処理部３２に含まれるスイッチトランジスタ１１４のゲート端子と接続されている。

第２処理部３２は、トランジスタ１１１、スイッチトランジスタ１１２、スイッチトランジスタ１１４、容量１１６、第２比較器１１８、及び第２カウンタ１５１を含んでいる。トランジスタ１１１は、定電流源１３７及びトランジスタ１３６を用いてカレントミラー回路を形成することよって、一定の電流を流す定電流源として用いられている。スイッチトランジスタ１１２のゲート端子は信号配線１２２と接続されており、スイッチトランジスタ１１２は、導通状態となっているときは、トランジスタ１１１からの電流を流しうる。また、スイッチトランジスタ１１４のゲート端子は信号配線１２１が入力されている。スイッチトランジスタ１１４が非導通状態になることによって、容量１１６はトランジスタ１１１を介して充電されうる。また、スイッチトランジスタ１１４が導通状態になることによって、容量１１６に充電された電荷は放電され、容量１１６の電圧Ｖ_１１６は０［Ｖ］になる。第２比較器１１８の非反転入力端子（「＋」で表記）には、電圧Ｖ_１１６が入力されている。第２比較器１１８の反転入力端子（「−」で表記）には、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２（ここでは、ランプ信号を用いる）が入力されている。第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、端子１５４から入力されている。第２比較器１１８から出力された信号は、第２カウンタ１５１に入力されている。

第１カウンタ１５０は、例えば、クロック信号ＣＬＫ１にしたがうカウンタ回路であり、本実施形態においては、これによって、変換部３０に入力されたアナログ信号に対応するデジタル信号のうち上位ビットに相当する部分が生成されうる。また、第２カウンタ１５１は、例えば、クロック信号ＣＬＫ２にしたがうカウンタ回路であり、これによって、該デジタル信号の下位ビットに相当する部分が生成されうる。クロック信号ＣＬＫ１は端子１５２から入力されており、クロック信号ＣＬＫ２は端子１５３から入力されている。また、リセット信号ｒｓｔ、クロック信号ｃｌｋ、ＣＬＫ１及びＣＬＫ２は、例えば、固体撮像装置１が備えうるタイミング発生器（不図示）から入力されうる。ここでは、クロック信号ＣＬＫ１及びＣＬＫ２は、クロック信号ｃｌｋと同期しているものを用いるが、仕様に応じてＰＬＬ等を用いて、互いに異なる周期のものを用いてもよい。

変換部３０は、上述のような構成によって、撮像部１０から出力された第１アナログ信号と第２アナログ信号とを、第１デジタル信号と第２デジタル信号とに変換してそれぞれ出力しうる。第１アナログ信号は、各画素１０１のＦＤノード１０４の電位がリセットされたときの出力として、ノイズ成分を含んでいる。第２アナログ信号は該ノイズ成分と画素部２０に入射した光に応じた成分とを含んでいる。その後、固体撮像装置１は、変換部３０から出力された第１デジタル信号及び第２デジタル信号、又はこれらの差分を、例えば、水平走査回路（不図示）によって、算出して出力する。このようにして、最終的に、画素部２０から出力された画像信号についてのデジタル信号が得られる。

図３は、横軸を時間として、固体撮像装置１を駆動しているときの各信号の状態を表している。図３には、画素１０１を制御する制御信号ｐｓｅｌ、ｐｔｘ、及びｐｒｅｓ、列信号線１０８の電位Ｖｌｉｎｅ、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１、並びに、第１比較器１１０の出力ＣＯＭＰ０１のそれぞれの状態を示している。その下には、クロック信号ｃｌｋ、及びリセット信号ｒｓｔの状態を示している。その下には、信号配線１２１及び１２２の電位Ｖ_１２１及びＶ_１２２（ステートマシン１２０の出力信号）、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２、並びに、第２比較器１１８の出力ＣＯＭＰ０２のそれぞれの状態を示している。

時刻ｔ０〜ｔ９においては、ノイズ成分を含む第１アナログ信号が第１デジタル信号に変換される。そのうち、時刻ｔ３〜ｔ４においては、第１デジタル信号の上位ビットが生成され（第１工程）、時刻ｔ７〜ｔ８においては、第１デジタル信号の下位ビットが生成される（第２工程）。同様にして、時刻ｔ９〜ｔ１８においては、ノイズ成分と画素部２０に入射した光に応じた成分とを含む第２アナログ信号が第２デジタル信号に変換される。そのうち、時刻ｔ１２〜ｔ１３においては、第２デジタル信号の上位ビットが生成され（第３工程）、時刻ｔ１６〜ｔ１７においては、第２デジタル信号の下位ビットが生成される（第４工程）。その後、固体撮像装置１は、例えば、第１工程〜第４工程によって得られた第１デジタル信号及び第２デジタル信号を出力し、又はこれらの差分を算出して出力しうる（第５工程）。

以下、図３Ａを参照しながら、固体撮像装置１を駆動する方法を具体的に述べる。時刻ｔ０において、制御信号ｐｓｅｌをＨｉ状態にし、画素部２０のうち、所定の行の画素１０１のそれぞれが選択された状態になる。時刻ｔ１において、制御信号ｐｒｅｓをＨｉ状態にし、ＦＤノード１０４をリセットする。時刻ｔ２において、制御信号ｐｒｅｓをＬｏｗ状態にし、該リセットを解除する。ここで、ＦＤノード１０４の電位に応じた列信号線１０８の電位Ｖｌｉｎｅは、第１アナログ信号に対応している。また、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は、電位Ｖｌｉｎｅよりも低い状態（ここでは、０［Ｖ］）になっており、第１比較器１１０の出力信号ＣＯＭＰＯ１はＨｉ状態になっている。

時刻ｔ３において、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が一定の傾きをもって上昇し始め、また、第１カウンタ１５０へのクロック信号ＣＬＫ１の供給が開始されている。これにより、第１処理部３１は、撮像部１０から出力された信号Ｖｌｉｎｅと第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（ランプ信号）との比較を開始する。また、ここでは、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１の上昇とクロック信号ＣＬＫ１の供給とは同じ時刻ｔ３において開始されているが、異なる時間に開始され、該計測にオフセット成分を含ませてもよい。

ある時刻において、信号Ｖｌｉｎｅと第１基準電圧Ｖｒｅｆ１との大小関係が逆転し、第１比較器１１０の出力信号ＣＯＭＰ０１が反転する。この時刻を、時刻ｔ４とする。第１カウンタ１５２は、クロック信号ＣＬＫ１の第１エッジ（または、第２エッジ）の数をカウントすることにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間を計測している。第１処理部３１は、このようにして得られた該計測結果（カウント値）にしたがって信号Ｖｌｉｎｅ（アナログ信号）に対応するデジタル信号の上位ビットを生成する（第１工程）。

また、この時刻ｔ４において、信号配線１２１の電位Ｖ_１２１（ステートマシン１２９の一方の出力）はＬｏｗ状態になり、スイッチトランジスタ１１４が非導通状態になる。即ち、第２処理部３２は、第１処理部３１における大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始する。具体的には、定電流源として用いられているトランジスタ１１１からスイッチトランジスタ１１２を介して容量１１６への充電が開始される。ここで、容量１１６の電圧Ｖ_１１６の上昇の傾きαは、容量１１６の値をＣ１、容量１１６の電荷量をＱ１、定電流源の電流の値をＩとして、
α＝ｄＶ／ｄｔ＝（ｄ（Ｑ１／Ｃ１））／ｄｔ＝Ｉ／Ｃ１ …式（１）
と表せる。

その後、図３Ｂ（図３Ａの一部を拡大して描いた図）に示されるように、容量１１６の充電を開始した直後のクロック信号ＣＬＫ１の第１エッジ（上昇エッジ）の後から所定時間が経過したことに応じて容量１１６の充電を終了する。この時刻を時刻ｔ５とする。ここで、所定時間とは、例えば、クロック信号ＣＬＫ１の少なくとも１周期とすることが好ましい。本実施形態においては、前述のステートマシン１２９の構成により、２つ目のクロック信号ＣＬＫ１の第１エッジ（上昇エッジ）において該充電が終了されている。即ち、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間（期間Ａ）は、第２工程を行うための容量１１６の充電期間である。その後、容量１１６の電圧Ｖ_１１６は維持されうる。

ここで、図４（ａ）に例示されるように、時刻ｔ４から時刻ｔ５における容量１１６の充電時の電圧Ｖ_１１６は、前述の傾きαで上昇している。しかし、実際には、電圧Ｖ_１１６の波形は、例えば、スイッチトランジスタ１１４が導通状態から非導通状態に切り替わることや、電源電圧が変動することによるノイズの影響を受けうる。このことは、後に生成されうるデジタル信号の下位ビットに精度の低下をもたらしうる。そこで、本実施形態では、容量１１６の充電を、その充電が開始された直後のクロック信号ＣＬＫ１の第１エッジの後から所定時間が経過するまで行っている。本実施形態では、所定時間を、このノイズの影響がなくなると考えられるクロック信号ＣＬＫ１の１周期分としているが、それ以上の期間としてもよい。

時刻ｔ６において、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１の上昇は停止し、クロック信号ＣＬＫ１の供給も停止される。

時刻ｔ７において、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２が一定の傾きをもって上昇し始め、また、第２カウンタ１５１へのクロック信号ＣＬＫ２の供給が開始されている。これにより、第２処理部３２は、容量１１６の電圧Ｖ_１１６と、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２（ランプ信号）との比較を開始する。

ある時刻において、容量１１６の電圧Ｖ_１１６と、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２との大小関係が逆転し、第２比較器１１８の出力信号ＣＯＭＰ０２が反転する。この時刻を、時刻ｔ８とする。第２カウンタ１５１は、クロック信号ＣＬＫ２の第１エッジ（または、第２エッジ）の数をカウントすることにより、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの時間（期間Ｂ）を計測している。この結果に応じて、第２処理部３２は、デジタル信号の下位ビットを生成する（第２工程）。ここで、期間Ｂは、期間Ａに対して十分に長いため、分解能を上げて、デジタル信号の下位ビットを高精度で生成することが可能である。

時刻ｔ９において、クロック信号ＣＬＫ２の供給が停止され、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１及び第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を初期化し、また、リセット信号ｒｓｔをＨｉ状態にしてステートマシン１２９の状態を初期化している。これにより、第１アナログ信号をデジタル信号へ変換する工程は終了され、第２アナログ信号をデジタル信号へ変換する工程が開始されうる。

時刻ｔ１０において、リセット信号ｒｓｔをＬｏｗ状態にしてステートマシン１２９のリセットを解除し、また、制御信号ｐｔｘをＨｉ状態にする。これによって、光電変換部１０２において受光によって発生し蓄積された電荷がＦＤノード１０４に転送されうる。

時刻ｔ１１において、制御信号ｐｔｘをＬｏｗ状態にし、電荷の転送を終了する。ここで、ＦＤノード１０４の電位に応じた列信号線１０８の電位Ｖｌｉｎｅは、第２アナログ信号に対応している。

その後、時刻ｔ１２〜ｔ１８においては、時刻ｔ３〜ｔ９と同様の動作が行われ、第２アナログ信号に対応する第２デジタル信号が生成される（第３工程、及び第４工程）。ここで、図４（ｂ）に例示されるように、時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４における容量１１６の充電時の電圧Ｖ_１１６は、傾きαで上昇している。しかし、時刻ｔ４〜時刻ｔ５と同様に、電圧Ｖ_１１６の波形はノイズの影響を受けうる。このことは、後に生成されうるデジタル信号の下位ビットに精度の低下をもたらしうる。そこで、前述と同様に、容量１１６の充電を、その充電が開始された直後のクロック信号ＣＬＫ１の第１エッジ（上昇エッジ）の後から所定時間が経過するまで行っている。

このようにして、各画素１０１のリセット後の第１アナログ信号と、電荷転送後の第２アナログ信号との変換をそれぞれ行い、第１デジタル信号と第２デジタル信号とをそれぞれ生成する。その後、例えば、固体撮像装置１の内部又は外部において、第１デジタル信号と第２デジタル信号との差分が、公知の減算処理によって算出され出力されうる（第５工程）。ここで、図４（ａ）及び（ｂ）に示したように、時刻ｔ４〜ｔ５における電圧Ｖ_１１６の波形と、時刻ｔ１３〜ｔ１４における電圧Ｖ_１１６の波形とは、容量１１６への充電を開始した際にノイズの影響を受けうる。そこで、第２工程及び第４工程では、第２処理部３２は、所定時間だけ長く容量１１６を充電して、前述のようにして第１デジタル信号と第２デジタル信号の下位ビットをそれぞれ生成する。しかし、前述のとおり、第５工程では、固体撮像装置１の内部又は外部において、第１デジタル信号と第２デジタル信号との差分が算出されうる。よって、第５工程では、時刻ｔ４〜ｔ５において充電された容量１１６の電圧Ｖ_１１６と、時刻ｔ１３〜ｔ１４において充電された容量１１６の電圧Ｖ_１１６との差分に対応するデジタル信号の下位ビットが生成される。即ち、結果として、図４（ｃ）に示されるように、該充電を開始した際のノイズの成分と該ノイズによる電位変動が収まるまで所定時間だけ長く充電した成分とを差し引いた信号成分（図中のΔＶ）が、第５工程で得られるデジタル信号の下位ビットに対応する。このようにして、変換時間の増大を抑制しつつ、高い精度でアナログデジタル変換を行うことが可能となる。

＜第２実施形態＞
図５及び６を参照しながら、第２実施形態の固体撮像装置２を説明する。図５及び６において用いられている記号や番号は、第１実施形態と同じものを示している。本実施形態は、図５に例示されるように、第２処理部３２がスイッチトランジスタ１１３をさらに含む点で第１実施形態と異なる。

本実施形態における第２処理部３２の構成を、図５を参照しながら、以下に具体的に述べる。第２処理部３２には、容量１１６とスイッチトランジスタ１１２とが直列に配され、また、容量１１６への充電を開始するためのスイッチトランジスタ１１４が配されている。また、第２処理部３２には、トランジスタ１１１が定電流源として配されている。ここで、容量１１６とスイッチトランジスタ１１２とが直列に配された経路を第１経路とする。本実施形態では、この第１経路と並列に、スイッチトランジスタ１１３を含む第２経路が配されている。即ち、第２処理部３２は、互いに並列に配された第１経路及び第２経路と、これらと直列に配された定電流源と、を含んでいる。

本実施形態においては、ステートマシン１２９は、電位Ｖ_１２２と反対の状態となる信号を、信号配線１２３を介して、さらに出力する。この信号配線１２３は、スイッチトランジスタ１１３のゲート端子と接続されている。ここで、電位Ｖ_１２２と反対の状態となる信号は、例えば、図２に示されたステートマシン１２９の構成に１段のインバータを追加すれば容易に生成できる。

図６を参照しながら、固体撮像装置２を駆動した場合の効果を説明する。固体撮像装置２は、スイッチトランジスタ１１３の動作と、信号配線１２３の電位Ｖ_１２３とを除いて、第１実施形態の固体撮像装置１と同様であるため、詳細な説明を省略する。図６から分かるように、電位Ｖ_１２２と電位Ｖ_１２３とが互いに反対の状態となっているため、固体撮像装置２を駆動している間は、電流源として用いられるトランジスタ１１１の電流の流れる経路は、第１経路及び第２経路のいずれか一方に切り替えられうる。より具体的には、トランジスタ１１１の電気的な接続先が、容量１１６及び接地レベルのいずれか一方に切り替えられうる。これにより、例えば、時刻ｔ４の前（容量１１６の充電の前）、時刻ｔ４〜ｔ５（該充電の間）、及び時刻ｔ５の後（該充電の後）において、第２処理部３２では常に一定の電流が流れている。即ち、容量１１６の充電の間と、その前後とにおいて、第２処理部３２において流れる電流量の変動がないため、図４で示すようなノイズの発生を抑制できる。

ここで、第１実施形態では、ノイズの影響を回避するため、時刻ｔ４において容量１１６の充電を開始し、その直後のクロック信号ＣＬＫ１の第１エッジの後から所定時間が経過した時刻ｔ５において容量１１６の充電を終了した。しかし、本実施形態においては、上記の方法によってノイズの発生を抑制するため、確保することが必要な「所定時間」を短くすることができる。これにより、例えば、フリップフロップ回路の数を抑制することができ、このことは回路設計の最適化に有利である。

また、固体撮像装置２の駆動中において、例えば、その中央の領域において電源電圧が降下し、トランジスタ１１１のゲート‐ソース電圧の低下によって、トランジスタ１１１の電流量が減少することも考えられる。しかし、本実施形態によると該電流量の変動が抑制されるため、該電流量の減少に対する補正処理に有利であり、変換部３０の変換誤差を低減することもできる。

このようにして、固体撮像装置２は、スイッチトランジスタ１１２（第１スイッチ）を導通状態にすることによって、容量１１６を充電する。容量１１６を充電している間は、スイッチトランジスタ１１３（第２スイッチ）を非導通状態にする。一方、容量１１６の充電をする前及び後においてはスイッチトランジスタ１１３（第２スイッチ）を導通状態にする。以上、本実施形態によると、第１実施形態の効果に加え、上述の有利な効果が得られる。

＜第３実施形態＞
図７及び８を参照しながら、第３実施形態の固体撮像装置３を説明する。図７及び８において用いられている記号や番号は、第１及び第２実施形態と同じものを示している。本実施形態は、図７に例示されるように、第２処理部３２が、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２に代替してランプ信号を発生させるため回路を含む第２経路を有する点で、第１実施形態と異なる。例えば、第２経路には、スイッチトランジスタ１１３と容量１１７とが直列に配され、容量１１７の電圧Ｖ_１１７が第２比較器１１８の反転入力端子に入力されている。また、容量１１７への充電を開始するためのスイッチトランジスタ１１５が配されている。容量１１７は、基準電圧発生用容量として用いられている。即ち、この容量１１７を定電流源により充電することによって生じた電圧Ｖ_１１７を第２基準電圧Ｖｒｅｆ２として用いる。

第２実施形態と同様に、電位Ｖ_１２２と電位Ｖ_１２３とは互いに反対の状態であるため、固体撮像装置３を駆動している間は、電流源として用いられるトランジスタ１１１の電流の流れる経路は、第１経路又は第２経路のいずれか一方に切り替えられうる。信号配線１２４は、スイッチトランジスタ１１５のゲート端子に接続されている。スイッチトランジスタ１１５のゲート端子に入力される信号（信号配線１２４の電位Ｖ_１２４）は、例えば、タイミング発生器（不図示）によって生成されてもよい。

固体撮像装置３の駆動方法を、図８を参照しながら、特に、第１工程及び第２工程について述べる。時刻ｔ０〜ｔ４は、第１及び第２実施形態と同様であるため説明を省く。時刻ｔ５において、電位Ｖ_１２２がＬｏｗ状態になってスイッチトランジスタ１１２が非導通状態になり、容量１１６の充電が終了されている。同時に、電位Ｖ_１２３がＨｉ状態になってスイッチトランジスタ１１３が導通状態になり、トランジスタ１１１の電気的な接続先が第２経路に切り替えられている。電位Ｖ_１２４はＨｉ状態であるため、トランジスタ１１１からの容量１１７の充電は開始されず容量１１７の電圧Ｖ_１１７は上昇していない。即ち、トランジスタ１１１の電気的な接続先は、接地レベルとなっている。よって、第２実施形態と同様の効果が得られうる。時刻ｔ６においては、第１及び第２実施形態と同様であるため説明を省く。

時刻ｔ７において、電位Ｖ_１２４がＬｏｗ状態になり、容量１１７の充電が開始され、電圧Ｖ_１１７が上昇している。ここで、容量１１７の値をＣ２（例えば、Ｃ１の４倍）とし、定電流源の電流の値をＩとする。ここで、容量１１７の電圧Ｖ_１１７の上昇の傾きβは、式（１）と併せて、
β＝Ｉ／Ｃ２＝Ｃ１×α／Ｃ２＝α／４ …式（２）
と表せる。この場合、期間Ａと期間Ｂとの関係は、Ｂ＝４Ａと表せる。このことは、同一の周波数のクロック信号を用いた場合において、デジタル信号の２ビット分の下位ビットを生成することができることを意味している。また、Ｃ１とＣ２の関係は、例えば、１：８、１：１６とすることによって、該下位ビットのビット数を３ビット、４ビットと増やすこともできる。時刻ｔ８〜ｔ９は、第１及び第２実施形態と同様であるため説明を省く。その後、第３工程及び第４工程が、時刻ｔ９〜ｔ１８において、同様にして為されうる。

以上のように、第２工程及び第４工程における該下位ビットの生成の精度は、容量１１６と容量１１７との関係によるところが大きく、定電流源としてのトランジスタ１１１の電流量の変動による影響は小さい。特に、容量素子は、トランジスタに対して、製造ばらつき及び特性ばらつきが小さい。よって、本実施形態によると、第１及び第２実施形態の効果に加え、該下位ビットをより高い精度で生成することが可能である。

以上の３つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途、機能、およびその他の仕様の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。例えば、各実施形態においては画素部をＣＭＯＳイメージセンサとして構成したが、その他の如何なるセンサでもよい。また、例えば、画素のそれぞれについてＮＭＯＳトランジスタを用いて構成した場合について説明したが、ＰＭＯＳトランジスタを用いて構成してもよい。その他のトランジスタについても同様であり、例えば、固体撮像装置１乃至３は、各機能の活性化と非活性化とを決定する信号が、これと逆になるような構成であってもよい。例えば、第１比較部１１０及び第２比較部１１８の比較結果の出力が上記各実施形態とは逆のものになるような構成にすることもできる。また、第１カウンタ１５０及び第２カウンタ１５１は、各実施形態においてはカウントアップ動作によって時間を計測したが、例えば、カウントダウン動作を用いてもよい。また、例えば、第１カウンタ１５０及び第２カウンタ１５１の代わりに、共通のカウンタを用いて、計測結果をそれぞれ個別に保持する構成にしてもよい。また、第１処理部３１及び第２処理部３２には、同一の周波数のクロック信号を供給したが、異なる周波数のクロック信号を用いて前述の駆動方法が為されてもよい。

その他、例えば、ステートマシン１２９は、ここではフリップフロップ回路３０３及び３０４の２段としたが、この段数を変更することによって容量１１６の充電時間を変更することができる。また、この充電時間は、フリップフロップ回路の段数の変更によってクロック信号にしたがって変更できるが、充電時間を所望の期間に確定することができればよく、この構成に限られない。また、例えば、ステートマシン１２９の他に、第２ステートマシン１２９’を用いて、さらに同様の処理を繰り返し、ビット数を増加させることも可能である。また、上記の各機能ブロックの動作制御は、コンピュータ上で稼動しているＯＳ等が、コントローラと共に、または、コントローラに代わって、その一部または全部を行ってもよい。

以上の実施形態は、カメラに含まれる固体撮像装置について述べたが、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含みうる。この信号処理部は、例えば、上記各実施形態で得られたデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (10)

1. 複数の画素が配された画素部を含む撮像部、及び前記撮像部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する変換部を備え、
   前記変換部は、第１処理部及び第２処理部を備え、
   前記第１処理部は、前記撮像部から出力されたアナログ信号と第１基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を計測した結果にしたがって該アナログ信号に対応するデジタル信号の上位ビットを生成し、
   第１エッジと第２エッジとを有するクロック信号が供給される前記第２処理部は、前記第１処理部における前記大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始し、その直後の前記クロック信号の前記第１エッジの後から所定時間が経過したことに応じて前記容量の充電を終了し、その後、前記容量の電圧と第２基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を、前記クロック信号をカウントすることによって該デジタル信号の下位ビットを生成する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記アナログ信号は、ノイズ成分を含む第１アナログ信号、及び該ノイズ成分と前記画素部に入射した光に応じた成分とを有する第２アナログ信号を含み、
   前記デジタル信号は、前記第１アナログ信号に対応する第１デジタル信号、及び前記第２アナログ信号に対応する第２デジタル信号を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記所定時間は、前記クロック信号の少なくとも１周期である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２処理部は、互いに並列に配された第１経路及び第２経路と、これらと直列に配された定電流源と、を含み、
   前記第１経路には前記容量と前記容量を充電するための第１スイッチとが直列に配され、前記第２経路には第２スイッチが配され、前記第２処理部は、前記第１スイッチを導通状態にすることによって前記定電流源により前記容量を充電し、前記容量を充電している間は前記第２スイッチを非導通状態にし、前記容量の充電をする前及び後においては前記第２スイッチを導通状態にする、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２処理部は基準電圧発生用容量を含み、前記定電流源により前記基準電圧発生用容量を充電することによって生じた電圧を前記第２基準電圧として用いる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記変換部から出力された前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との差分を算出して出力する、
   ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。
8. 複数の画素が配された画素部を含む撮像部、及び前記撮像部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する変換部を備える固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記撮像部から出力されたアナログ信号と第１基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を計測した結果にしたがって前記アナログ信号に対応するデジタル信号の上位ビットを生成する第１工程と、
   第１エッジと第２エッジとを有するクロック信号が供給され、前記第１工程における前記大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始し、その直後の前記クロック信号の前記第１エッジの後から所定時間が経過したことに応じて前記容量の充電を終了し、その後、前記容量の電圧と第２基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を、前記クロック信号をカウントすることによって前記デジタル信号の下位ビットを生成する第２工程と、を含む、
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記第１工程及び前記第２工程では、ノイズ成分を含む第１アナログ信号に対応する第１デジタル信号の上位ビット及び下位ビットをそれぞれ生成し、
   前記固体撮像装置の駆動方法は、
   前記撮像部から出力され、該ノイズ成分及び画素部に入射した光に応じた成分を含む第２アナログ信号と第１基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を計測した結果にしたがって前記第２アナログ信号に対応する第２デジタル信号の上位ビットを生成する第３工程と、
   前記クロック信号が供給され、前記第３工程における前記大小関係の逆転に応答して容量の充電を開始し、その直後の前記クロック信号の前記第１エッジの後から前記所定時間が経過したことに応じて前記容量の充電を終了し、その後、前記容量の電圧と第２基準電圧との比較を開始してからこれらの大小関係が逆転するまでの時間を、前記クロック信号をカウントすることによって前記第２デジタル信号の下位ビットを生成する第４工程と、をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 前記第１工程及び前記第２工程によって得られた前記第１デジタル信号と、前記第３工程及び前記第４工程によって得られた前記第２デジタル信号との差分を算出して出力する第５工程をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の駆動方法。