JP2016171455A - Solid state image pickup device - Google Patents

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山下 浩史
Hiroshi Yamashita
浩史 山下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state image pickup device which can image an image having a wide dynamic range.SOLUTION: According to one embodiment, a solid state image pickup device having a first semiconductor chip and a second semiconductor chip is provided. In the first semiconductor chip, a plurality of pixel groups are arranged. The pixel group includes a plurality of pixels. On the second semiconductor chip, the first semiconductor chip is laminated. In the second semiconductor chip, a plurality of pixel control blocks are arranged. The pixel control block includes an A/D conversion circuit. The A/D conversion circuit is electrically connected to an output of the pixel group.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本実施形態は、固体撮像装置に関する。   The present embodiment relates to a solid-state imaging device.

CMOSセンサを始めとする固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやビデオムービー、また監視カメラ等多様な用途で使われている。デジタルカメラ、ビデオムービー、監視カメラ等の応用においては、次のような撮像特性が要求される。すなわち、暗い被写体を撮像しているときに高いS/Nで撮像できること、さらには十分に明るい被写体を撮像する際にも画像の出力分解能を持つ事である。このように、暗い被写体を撮像している際のS/Nが良好であり、なおかつ明るい被写体を撮像することができると、いわゆるダイナミックレンジの広い画像を撮像することができ、人間の眼で見たのと同様な自然な再現を実現することができるという利点がある。ところが、撮像光学系サイズの縮小の要求が強く、一方で高い解像度に対する要求も同時に高まっており、画素サイズが縮小される傾向にあるため、上述のような広いダイナミックレンジを持つ画像を得ることが困難になってきている。   Solid-state imaging devices such as CMOS sensors are used in various applications such as digital still cameras, video movies, and surveillance cameras. In applications such as digital cameras, video movies, and surveillance cameras, the following imaging characteristics are required. That is, it is possible to capture with a high S / N when capturing a dark subject, and to have an image output resolution even when capturing a sufficiently bright subject. As described above, when a dark subject is imaged and the S / N is good and a bright subject can be imaged, an image with a wide dynamic range can be captured and viewed with human eyes. There is an advantage that a natural reproduction similar to the above can be realized. However, there is a strong demand for reducing the size of the imaging optical system, while a demand for high resolution is also increasing at the same time, and the pixel size tends to be reduced. Therefore, it is possible to obtain an image having a wide dynamic range as described above. It has become difficult.

特許第4277216号公報Japanese Patent No. 4277216

一つの実施形態は、ダイナミックレンジの広い画像を撮像できる固体撮像装置を提供することを目的とする。   An object of one embodiment is to provide a solid-state imaging device that can capture an image with a wide dynamic range.

一つの実施形態によれば、第1の半導体チップと第2の半導体チップとを有する固体撮像装置が提供される。第1の半導体チップには、画素群が複数配されている。画素群は、複数の画素を含む。第2の半導体チップは、第1の半導体チップが積層されている。第2の半導体チップは、画素制御ブロックが複数配されている。画素制御ブロックは、A/D変換回路を含む。A/D変換回路は、画素群の出力に電気的に接続されている。   According to one embodiment, a solid-state imaging device having a first semiconductor chip and a second semiconductor chip is provided. A plurality of pixel groups are arranged on the first semiconductor chip. The pixel group includes a plurality of pixels. The first semiconductor chip is stacked on the second semiconductor chip. The second semiconductor chip has a plurality of pixel control blocks. The pixel control block includes an A / D conversion circuit. The A / D conversion circuit is electrically connected to the output of the pixel group.

実施形態にかかる固体撮像装置を適用した撮像システムの構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an imaging system to which a solid-state imaging device according to an embodiment is applied. 実施形態にかかる固体撮像装置を適用した撮像システムの構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a configuration of an imaging system to which a solid-state imaging device according to an embodiment is applied. 実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment. 実施形態にかかる固体撮像装置の積層構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the laminated structure of the solid-state imaging device concerning embodiment. 実施形態にかかる固体撮像装置の積層構成を示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a stacked configuration of the solid-state imaging device according to the embodiment. 実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment. 実施形態におけるサブフレーム蓄積期間を示す図。The figure which shows the sub-frame accumulation | storage period in embodiment. 実施形態における画素及び画素制御ブロックの構成を示す図。The figure which shows the structure of the pixel and pixel control block in embodiment. 実施形態における画素の構成を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of a pixel in the embodiment. 実施形態における画素の動作を示す波形図。The wave form diagram which shows the operation | movement of the pixel in embodiment. 実施形態における画素制御ブロックの動作を示す図。The figure which shows operation | movement of the pixel control block in embodiment. 実施形態における画素制御ブロックの動作を示す図。The figure which shows operation | movement of the pixel control block in embodiment. 実施形態における画素制御ブロックの動作を示す図。The figure which shows operation | movement of the pixel control block in embodiment. 実施形態における画素制御ブロックの動作を示す図。The figure which shows operation | movement of the pixel control block in embodiment. 実施形態の変形例にかかる固体撮像装置の積層構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the laminated structure of the solid-state imaging device concerning the modification of embodiment. 実施形態の他の変形例における共有化された複数の画素の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the shared several pixel in the other modification of embodiment. 実施形態の他の変形例における共有化された複数の画素の動作を示す波形図。The wave form diagram which shows operation | movement of the shared several pixel in the other modification of embodiment. 実施形態の他の変形例にかかる固体撮像装置の積層構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the laminated structure of the solid-state imaging device concerning the other modification of embodiment. 実施形態の他の変形例にかかる固体撮像装置の積層構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the laminated structure of the solid-state imaging device concerning the other modification of embodiment. 実施形態の他の変形例における固体撮像装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the solid-state imaging device in the other modification of embodiment. 実施形態の他の変形例における画素、画素制御ブロック、及びロジックブロックの構成を示す図。The figure which shows the structure of the pixel in the other modification of embodiment, a pixel control block, and a logic block. 実施形態の他の変形例にかかる固体撮像装置の積層構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the laminated structure of the solid-state imaging device concerning the other modification of embodiment.

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。   Exemplary embodiments of a solid-state imaging device will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.

(実施形態)
実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、例えば、図1及び図2に示す撮像システムに適用される。図1及び図2は、撮像システムの概略構成を示す図である。図1では、光軸をOPで示している。
(Embodiment)
A solid-state imaging device according to an embodiment will be described. The solid-state imaging device is applied to the imaging system shown in FIGS. 1 and 2, for example. 1 and 2 are diagrams illustrating a schematic configuration of an imaging system. In FIG. 1, the optical axis is indicated by OP.

撮像システム1は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどであってもよいし、カメラモジュールが電子機器に適用されたもの(例えばカメラ付き携帯端末等)でもよい。撮像システム1は、図2に示すように、撮像部2及び後段処理部3を備える。撮像部2は、例えば、カメラモジュールである。撮像部2は、撮像光学系4及び固体撮像装置5を有する。後段処理部3は、ISP(Image Signal Processor)6、記憶部7、及び表示部8を有する。   The imaging system 1 may be, for example, a digital camera, a digital video camera, or the like, or a camera module applied to an electronic device (for example, a mobile terminal with a camera). As shown in FIG. 2, the imaging system 1 includes an imaging unit 2 and a post-processing unit 3. The imaging unit 2 is, for example, a camera module. The imaging unit 2 includes an imaging optical system 4 and a solid-state imaging device 5. The post-processing unit 3 includes an ISP (Image Signal Processor) 6, a storage unit 7, and a display unit 8.

撮像光学系4は、撮影レンズ47、ハーフミラー43、メカシャッタ46、レンズ44、プリズム45、及びファインダー48を有する。撮影レンズ47は、撮影レンズ47a,47b、絞り(図示せず)、及びレンズ駆動機構47cを有する。絞りは、撮影レンズ47aと撮影レンズ47bとの間に配され、撮影レンズ47bへ導かれる光量を調節する。なお、図1では、撮影レンズ47が2枚の撮影レンズ47a,47bを有する場合が例示的に示されているが、撮影レンズ47は多数枚の撮影レンズを有していてもよい。   The imaging optical system 4 includes a photographing lens 47, a half mirror 43, a mechanical shutter 46, a lens 44, a prism 45, and a viewfinder 48. The photographing lens 47 includes photographing lenses 47a and 47b, a diaphragm (not shown), and a lens driving mechanism 47c. The aperture is disposed between the photographic lens 47a and the photographic lens 47b, and adjusts the amount of light guided to the photographic lens 47b. In FIG. 1, the case where the photographing lens 47 includes two photographing lenses 47a and 47b is exemplarily shown, but the photographing lens 47 may include a large number of photographing lenses.

固体撮像装置5は、撮影レンズ47の予定結像面に配置されている。例えば、撮影レンズ47は、入射した光を屈折させて、ハーフミラー43及びメカシャッタ46経由で固体撮像装置5の撮像面へ導き、固体撮像装置5の撮像面(撮像領域IR)に被写体の像を形成する。固体撮像装置5は、被写体像に応じた画像信号を生成する。   The solid-state imaging device 5 is disposed on the planned imaging plane of the photographic lens 47. For example, the photographic lens 47 refracts incident light, guides it to the imaging surface of the solid-state imaging device 5 via the half mirror 43 and the mechanical shutter 46, and places an image of the subject on the imaging surface (imaging region IR) of the solid-state imaging device 5. Form. The solid-state imaging device 5 generates an image signal corresponding to the subject image.

固体撮像装置5は、図3に示すように、イメージセンサ10及び信号処理回路11を有する。図3は、固体撮像装置の回路構成を示す図である。イメージセンサ10は、例えば、CMOSイメージセンサであってもよいし、その他の増幅型固体撮像素子であってもよい。イメージセンサ10は、画素配列12及び周辺回路13を有する。周辺回路13は、画素配列12における画素を選択し、選択された画素から信号を読み出す。周辺回路13は、読み出された信号を信号処理回路11へ転送する。   As shown in FIG. 3, the solid-state imaging device 5 includes an image sensor 10 and a signal processing circuit 11. FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of the solid-state imaging device. The image sensor 10 may be, for example, a CMOS image sensor or other amplification type solid-state imaging device. The image sensor 10 includes a pixel array 12 and a peripheral circuit 13. The peripheral circuit 13 selects a pixel in the pixel array 12 and reads a signal from the selected pixel. The peripheral circuit 13 transfers the read signal to the signal processing circuit 11.

固体撮像装置5では、例えば動画を撮像する場合、再生画像の画質を改善することが望まれる。例えば、固体撮像装置5は、デジタルスチルカメラやビデオムービー、また監視カメラ等多様な用途で使われている。デジタルカメラ、ビデオムービー、監視カメラ等の応用においては、次のような撮像特性が要求される。   In the solid-state imaging device 5, for example, when capturing a moving image, it is desired to improve the quality of a reproduced image. For example, the solid-state imaging device 5 is used in various applications such as a digital still camera, a video movie, and a surveillance camera. In applications such as digital cameras, video movies, and surveillance cameras, the following imaging characteristics are required.

すなわち、暗い被写体を撮像しているときに高いS/Nで撮像できること、さらには十分に明るい被写体を撮像する際にも画像の出力分解能を持つ事である。このように、暗い被写体を撮像している際のS/Nが良好であり、なおかつ明るい被写体を撮像することができると、いわゆるダイナミックレンジが広い画像を撮像することができ、人間の眼で見たのと同様な自然な再現を実現することができるという利点がある。ところが、チップサイズの縮小の要求が強く、一方で多画素化に対する要求も同時に高まっており、画素サイズが縮小される傾向にあるため、上述のような広いダイナミックレンジを持つ画像を得ることが困難になってきている。   That is, it is possible to capture with a high S / N when capturing a dark subject, and to have an image output resolution even when capturing a sufficiently bright subject. As described above, when a dark subject is imaged and the S / N is good and a bright subject can be imaged, an image with a wide dynamic range can be captured and viewed with human eyes. There is an advantage that a natural reproduction similar to the above can be realized. However, the demand for reducing the chip size is strong, while the demand for increasing the number of pixels is also increasing at the same time, and the pixel size tends to be reduced. Therefore, it is difficult to obtain an image having a wide dynamic range as described above. It is becoming.

そこで、本実施形態では、画素配列12を複数の画素群に分割し、基板接合を用いたチップ積層化により各画素群の下に電極の接合点を配置できるようにし、画素群ごとに電荷蓄積期間及び/又は信号のゲインを制御することで、チップサイズの縮小化と高ダイナミックレンジ化とを両立させる。   Therefore, in the present embodiment, the pixel array 12 is divided into a plurality of pixel groups, and electrode junctions can be arranged under each pixel group by stacking chips using substrate bonding, and charge accumulation is performed for each pixel group. By controlling the period and / or the signal gain, both the reduction of the chip size and the increase of the dynamic range are achieved.

具体的には、図4及び図5に示すように、固体撮像装置5は、半導体チップCH1、半導体チップCH2、及び半導体チップCHspを有する。図4は、固体撮像装置5の積層構成を示す断面図である。図5は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。   Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the solid-state imaging device 5 includes a semiconductor chip CH1, a semiconductor chip CH2, and a semiconductor chip CHsp. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a stacked configuration of the solid-state imaging device 5. FIG. 5 is an exploded perspective view showing a stacked configuration of the solid-state imaging device 5.

半導体チップCH2には、半導体チップCH1が積層されている。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、図4に示すように、基板接合で接合されている。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、互いに表面側が接合され、互いの電極EL同士を接合(例えば、Cu−Cu接合)させることができる。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、それぞれ、表面側に多層配線構造が形成されており、最上の配線層上に表面が露出された電極ELを有する。   The semiconductor chip CH1 is stacked on the semiconductor chip CH2. As shown in FIG. 4, the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 are bonded by substrate bonding. The semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 are bonded to each other on the surface side, and the electrodes EL can be bonded (for example, Cu—Cu bonding). Each of the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 has a multilayer wiring structure formed on the surface side, and has an electrode EL whose surface is exposed on the uppermost wiring layer.

半導体チップCH1には、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち画素配列12が配される。すなわち、半導体チップCH1には、固体撮像装置5内の他の構成(周辺回路13、信号処理回路11)が配されていないので、多画素化した場合でも画素サイズの縮小を抑制しながらチップサイズを容易に縮小化できる。言い換えると、各画素Pの画素配列サイズを確保しながらチップサイズを容易に縮小化できる。   Of the components in the solid-state imaging device 5 shown in FIG. 3, the pixel array 12 is arranged on the semiconductor chip CH1. That is, since the semiconductor chip CH1 is not provided with other components (peripheral circuit 13 and signal processing circuit 11) in the solid-state imaging device 5, the chip size is suppressed while reducing the pixel size even when the number of pixels is increased. Can be easily reduced. In other words, the chip size can be easily reduced while ensuring the pixel array size of each pixel P.

例えば、半導体チップCH1には、図5に示すように、複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)が配されている。複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)は、画素配列12内において、行方向及び列方向に配列され、例えばp行q列を構成する。p,qは、それぞれ2以上の整数である。各画素群PG(1,1)は、複数の画素P(1,1)〜P(m,n)を有する。複数の画素P(1,1)〜P(m,n)は、画素群PG内において、行方向及び列方向に配列され、例えばm行n列を構成する。m,nは、それぞれ2以上の整数であり、図5ではm=4,n=3である場合が例示されている。なお、図示しないが、各画素Pは、裏面照射型の画素構成を有する(図4参照)。   For example, as shown in FIG. 5, a plurality of pixel groups PG (1,1) to PG (p, q) are arranged on the semiconductor chip CH1. The plurality of pixel groups PG (1,1) to PG (p, q) are arranged in the row direction and the column direction in the pixel array 12, and constitute, for example, p rows and q columns. p and q are integers of 2 or more, respectively. Each pixel group PG (1,1) has a plurality of pixels P (1,1) to P (m, n). The plurality of pixels P (1,1) to P (m, n) are arranged in the row direction and the column direction in the pixel group PG, and form m rows and n columns, for example. m and n are integers of 2 or more, respectively, and FIG. 5 illustrates the case where m = 4 and n = 3. Although not shown, each pixel P has a back-illuminated pixel configuration (see FIG. 4).

半導体チップCH2には、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち周辺回路13が配される。例えば、半導体チップCH2には、複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)が配されている。複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)は、複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)に対応している。複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)は、周辺回路13内において、行方向及び列方向に配列され、例えばp行q列を構成する。p,qは、それぞれ2以上の整数である。   Of the components in the solid-state imaging device 5 shown in FIG. 3, the peripheral circuit 13 is arranged on the semiconductor chip CH2. For example, a plurality of pixel control blocks PBK (1, 1) to PBK (p, q) are arranged on the semiconductor chip CH2. The plurality of pixel control blocks PBK (1,1) to PBK (p, q) correspond to the plurality of pixel groups PG (1,1) to PG (p, q). The plurality of pixel control blocks PBK (1,1) to PBK (p, q) are arranged in the row direction and the column direction in the peripheral circuit 13, and constitute, for example, p rows and q columns. p and q are integers of 2 or more, respectively.

半導体チップCHspには、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち信号処理回路11が配される。例えば、半導体チップCHspには、図5に示すように、ロジック回路11a、フレームメモリー11b、及びI/O回路11cが配されている。ロジック回路11aは、各画素制御ブロックPBKに制御信号を供給し、フレームメモリー11bは、制御信号に応じて各画素制御ブロックPBKから転送されたデータ(1フレーム画像のデータ)を保持する。   Of the components in the solid-state imaging device 5 shown in FIG. 3, the signal processing circuit 11 is arranged on the semiconductor chip CHsp. For example, as shown in FIG. 5, a logic circuit 11a, a frame memory 11b, and an I / O circuit 11c are arranged in the semiconductor chip CHsp. The logic circuit 11a supplies a control signal to each pixel control block PBK, and the frame memory 11b holds data (one frame image data) transferred from each pixel control block PBK in accordance with the control signal.

この構成では、図6に示すように、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度を向上させることができる。図6は、固体撮像装置の構成を示すブロック図である。すなわち、画素制御ブロックPBKは、対応する画素群PG内の複数の画素Pのうち選択された画素Pから順次に信号を読み出すことができるとともに、画素群PG内の複数の画素Pをそれぞれ制御できる。また、複数の画素制御ブロックPBKによる制御動作は、互いに並行して行うことができる。   In this configuration, as shown in FIG. 6, it is possible to improve the degree of parallelism between the control for each pixel P and the signal reading from each pixel P. FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device. That is, the pixel control block PBK can sequentially read signals from the selected pixel P among the plurality of pixels P in the corresponding pixel group PG, and can control each of the plurality of pixels P in the pixel group PG. . Further, control operations by the plurality of pixel control blocks PBK can be performed in parallel with each other.

これにより、画素制御ブロックPBKにおいて画素Pから読み出された信号に応じて画素Pの電荷蓄積期間及び/又は画素Pの信号のゲインをフィードバック制御するために要する期間を容易に短縮できる。例えば、図7(a)に示す1フレーム画像を得るために設けられた1フレーム蓄積期間Tfを、図7(b)に示すように、N分割(Nは2以上の整数)してサブフレーム蓄積期間(Tf)/Nとする。そして、画素制御ブロックPBKは、サブフレーム期間(Tf)/Nの単位で画素群PG内の各画素Pの制御動作を行うことができ、1フレームのデータをN枚のサブフレームのデータに分割して読み出すことができる。図7(a)は、1フレーム蓄積期間を示す図であり、図7(b)は、サブフレーム蓄積期間を示す図である。   Thereby, the charge accumulation period of the pixel P and / or the period required for feedback control of the gain of the signal of the pixel P can be easily shortened according to the signal read from the pixel P in the pixel control block PBK. For example, the 1-frame accumulation period Tf provided for obtaining the 1-frame image shown in FIG. 7A is divided into N (N is an integer of 2 or more) as shown in FIG. The accumulation period (Tf) / N. The pixel control block PBK can control each pixel P in the pixel group PG in units of subframe periods (Tf) / N, and divides one frame of data into N subframes of data. Can be read out. FIG. 7A shows a one-frame storage period, and FIG. 7B shows a sub-frame storage period.

例えば、画素P及び画素制御ブロックPBKは、図8に示すように構成される。図8は、画素P及び画素制御ブロックPBKの構成を示す図である。   For example, the pixel P and the pixel control block PBK are configured as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the pixel P and the pixel control block PBK.

画素Pは、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び画素増幅回路70を有する。光電変換部50は、光に応じた電荷を発生させる。電荷蓄積部60は、光電変換部50で発生した電荷を蓄積する。画素増幅回路70は、電荷蓄積部60に蓄積された電荷に応じた電圧を生成するとともに増幅し、増幅された電圧に応じた信号を出力する。   The pixel P includes a photoelectric conversion unit 50, a charge storage unit 60, and a pixel amplification circuit 70. The photoelectric conversion unit 50 generates a charge corresponding to light. The charge storage unit 60 stores the charge generated by the photoelectric conversion unit 50. The pixel amplifier circuit 70 generates and amplifies a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage unit 60, and outputs a signal corresponding to the amplified voltage.

なお、画素群PGにおける各画素Pの出力端子は共通化可能であり、各画素Pは、共通化された出力端子(図示せず)、半導体チップCH1の電極EL、半導体チップCH2の電極EL(図4参照)経由で画素制御ブロックPBKの入力端子に接続することができる。また、画素群PGにおける各画素Pの制御端子は共通化可能であり、各画素Pは、共通化された制御端子(図示せず)、半導体チップCH1の電極EL、半導体チップCH2の電極EL(図4参照)経由で画素制御ブロックPBKの制御信号の供給端子に接続することができる。   The output terminal of each pixel P in the pixel group PG can be shared, and each pixel P has a shared output terminal (not shown), an electrode EL of the semiconductor chip CH1, and an electrode EL ( 4) and can be connected to the input terminal of the pixel control block PBK. Further, the control terminal of each pixel P in the pixel group PG can be shared, and each pixel P has a shared control terminal (not shown), an electrode EL of the semiconductor chip CH1, and an electrode EL ( It can be connected to the supply terminal of the control signal of the pixel control block PBK via (see FIG. 4).

画素Pは、蓄積された信号(電荷)を非破壊の状態に保ったまま信号を出力することができるように(非破壊読み出し構造で)構成されている。すなわち、電荷蓄積部60に蓄積された電荷に応じた電圧を画素増幅回路70が生成する際に、電荷蓄積部60は、電荷を蓄積し続けることができる。電荷蓄積部60は、画素制御ブロックPBKから電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示されるまで、電荷蓄積動作を継続できる。   The pixel P is configured so as to be able to output a signal (with a non-destructive readout structure) while keeping the accumulated signal (charge) in a non-destructive state. That is, when the pixel amplifier circuit 70 generates a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage unit 60, the charge storage unit 60 can continue to store the charge. The charge storage unit 60 can continue the charge storage operation until instructed by the control signal 1 to release the charge storage from the pixel control block PBK.

例えば、画素Pは、図9に示すように、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び画素増幅回路70を有する。図9は、画素Pの構成を示す回路図である。光電変換部50は、フォトダイオードPDを含む。   For example, the pixel P includes a photoelectric conversion unit 50, a charge storage unit 60, and a pixel amplification circuit 70 as illustrated in FIG. FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration of the pixel P. The photoelectric conversion unit 50 includes a photodiode PD.

電荷蓄積部60は、電荷保持部61、転送部62、及びリセット部63を有する。電荷保持部61は、ストレージダイオードSDを含む。   The charge storage unit 60 includes a charge holding unit 61, a transfer unit 62, and a reset unit 63. The charge holding unit 61 includes a storage diode SD.

リセット部63は、電荷保持部61の電荷をリセットする。リセット部63は、例えば、リセットトランジスタM2を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線141(図8参照)及びリセット制御線65経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φReset2(制御信号1)をゲートで受けた際にオンすることで電荷保持部61の電荷をリセットする。これにより、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。例えば、図10に示す場合、タイミングt3に、φReset2(制御信号1)がL→Hになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。図10は、画素Pの動作を示す波形図である。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の終了時点でφReset2がL→Hになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。   The reset unit 63 resets the charge in the charge holding unit 61. The reset unit 63 includes, for example, a reset transistor M2, and an active level (for example, H level) control signal φReset2 (control signal 1) from the pixel control block PBK via the feedback line 141 (see FIG. 8) and the reset control line 65. Is turned on when the signal is received by the gate to reset the charge of the charge holding unit 61. Thereby, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be completed. For example, in the case illustrated in FIG. 10, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be completed by changing φReset2 (control signal 1) from L to H at timing t3. FIG. 10 is a waveform diagram showing the operation of the pixel P. For example, when φReset2 is changed from L → H at the end of the signal accumulation period of the subframe, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be completed.

リセット部63は、画素制御ブロックPBKからフィードバック線141(図8参照)及びリセット制御線65経由でノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φReset2(制御信号1)をゲートで受けた際にオフすることで電荷保持部61の電荷のリセットを解除する。これにより、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。例えば、図10に示す場合、タイミングt4に、φReset2(制御信号1)がH→Lになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の開始時点でφReset2がH→Lになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。   The reset unit 63 receives a non-active level (for example, L level) control signal φReset2 (control signal 1) from the pixel control block PBK via the feedback line 141 (see FIG. 8) and the reset control line 65 at the gate. By turning off, the resetting of the charge of the charge holding unit 61 is cancelled. Thereby, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be started. For example, in the case illustrated in FIG. 10, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be started by changing φReset2 (control signal 1) from H → L at timing t4. For example, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 can be started by changing φReset2 from H → L at the start of the signal accumulation period of the subframe.

なお、図10の制御信号φReset2(制御信号1)について破線で示すように、制御信号φReset2(制御信号1)がLレベルに維持された場合、電荷保持部61のリセットが行われず、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作が継続される。   As indicated by a broken line with respect to the control signal φReset2 (control signal 1) in FIG. 10, when the control signal φReset2 (control signal 1) is maintained at the L level, the charge holding unit 61 is not reset, and the charge accumulation unit 60 charge accumulation operations are continued.

転送部62は、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送する。転送部62は、電荷保持部61のリセットが行われていない期間に、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送する。転送部62は、例えば、転送トランジスタM1を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線147(図8参照)及び転送制御線66経由でアクティブレベルの制御信号φRead(制御信号3)をゲートで受けた際にオンすることで、フォトダイオードPDの電荷をストレージダイオードSDへ転送する。転送部62は、ノンアクティブレベルの制御信号φReadをゲートで受けた際にオフすることで、フォトダイオードPDとストレージダイオードSDとを互いに電気的に遮断する。例えば、図10に示す場合、タイミングt1に、φRead(制御信号3)がL→Hになることで、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送させることができ、タイミングt2に、φRead(制御信号3)がH→Lになることで、光電変換部50の電荷を電荷保持部61への転送を完了させることができる。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の終了直前の時点で光電変換部50の電荷を電荷保持部61への転送を行い完了させることができる。   The transfer unit 62 transfers the charge of the photoelectric conversion unit 50 to the charge holding unit 61. The transfer unit 62 transfers the charge of the photoelectric conversion unit 50 to the charge holding unit 61 during a period when the charge holding unit 61 is not reset. The transfer unit 62 includes, for example, a transfer transistor M1, and when the gate receives an active level control signal φRead (control signal 3) from the pixel control block PBK via the feedback line 147 (see FIG. 8) and the transfer control line 66. When turned on, the charge of the photodiode PD is transferred to the storage diode SD. The transfer unit 62 is electrically turned off from the photodiode PD and the storage diode SD by turning off when receiving the non-active level control signal φRead at the gate. For example, in the case shown in FIG. 10, the charge of the photoelectric conversion unit 50 can be transferred to the charge holding unit 61 by changing φRead (control signal 3) from L to H at timing t1, and φRead at timing t2. When (control signal 3) changes from H → L, transfer of the charge of the photoelectric conversion unit 50 to the charge holding unit 61 can be completed. For example, the charge of the photoelectric conversion unit 50 can be transferred to the charge holding unit 61 to be completed just before the end of the signal accumulation period of the subframe.

画素増幅回路70は、図9に示すように、電荷電圧変換部71、伝達部77、出力部72、選択部73、及びリセット部74を有する。   As illustrated in FIG. 9, the pixel amplifier circuit 70 includes a charge-voltage conversion unit 71, a transmission unit 77, an output unit 72, a selection unit 73, and a reset unit 74.

伝達部77は、電荷保持部61に保持された電荷に応じた電荷を電荷電圧変換部71へ伝達する。伝達部77は、フローティングゲートFGを含む。フローティングゲートFGは、一端が電荷保持部61に容量的に結合され、他端が電荷電圧変換部71に電気的に接続されている。電荷電圧変換部71は、伝達された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部71は、フローティングディフュージョンFDを含む。フローティングディフュージョンFDは、その寄生容量を用いて電圧を保持できる。出力部72は、電荷電圧変換部71の電圧に応じた信号を信号線SLへ出力する。出力部72は、増幅トランジスタM3を含み、信号線SLに接続された電流源(図示せず)とともにソースフォロワ動作を行うことでゲートで受けたフローティングディフュージョンFDの電圧に応じた信号をソース側の信号線SLへ出力する。すなわち、信号は電荷保持部61から伝達部77へ容量的に伝達され、伝達部77から電荷電圧変換部71へ伝達されるので、出力部72から信号が信号線SLへ出力される間に電荷保持部61に保持された信号(電荷)を非破壊の状態に維持できる。また、電荷保持部61は、電荷電圧変換部71に比べて出力部72(増幅トランジスタM3)からDC的に隔てられているので、出力部72の動作に伴うノイズの影響を受けにくい。これにより、信号線SLへ出力される信号のS/N比を向上できる。   The transmission unit 77 transmits a charge corresponding to the charge held in the charge holding unit 61 to the charge voltage conversion unit 71. Transmission unit 77 includes a floating gate FG. The floating gate FG has one end capacitively coupled to the charge holding unit 61 and the other end electrically connected to the charge voltage conversion unit 71. The charge-voltage converter 71 converts the transmitted charge into a voltage. The charge voltage conversion unit 71 includes a floating diffusion FD. The floating diffusion FD can hold a voltage using its parasitic capacitance. The output unit 72 outputs a signal corresponding to the voltage of the charge-voltage conversion unit 71 to the signal line SL. The output unit 72 includes an amplifying transistor M3, and performs a source follower operation together with a current source (not shown) connected to the signal line SL so that a signal corresponding to the voltage of the floating diffusion FD received at the gate is supplied to the source side. Output to the signal line SL. That is, since the signal is capacitively transmitted from the charge holding unit 61 to the transmission unit 77 and transmitted from the transmission unit 77 to the charge-voltage conversion unit 71, the charge is generated while the signal is output from the output unit 72 to the signal line SL. The signal (charge) held in the holding unit 61 can be maintained in a non-destructive state. In addition, since the charge holding unit 61 is separated from the output unit 72 (amplification transistor M3) in a DC manner as compared with the charge-voltage conversion unit 71, the charge holding unit 61 is not easily affected by noise associated with the operation of the output unit 72. Thereby, the S / N ratio of the signal output to the signal line SL can be improved.

選択部73は、画素Pを選択状態又は非選択状態にする。選択部73は、例えば選択トランジスタM4を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線(図示せず)及び選択制御線76経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φAddress1をゲートに受けた際にオンすることで画素Pを選択状態にし、ノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φAddress1をゲートに受けた際にオフすることで画素Pを非選択状態にする。リセット部74は、電荷電圧変換部71をリセットする。リセット部74は、例えば、リセットトランジスタM5を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線(図示せず)及びリセット制御線78経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φReset1をゲートに受けた際にオンすることで電荷電圧変換部71をリセットし、ノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φReset1をゲートに受けた際にオフすることで電荷電圧変換部71のリセットを解除する。   The selection unit 73 puts the pixel P into a selected state or a non-selected state. The selection unit 73 includes, for example, a selection transistor M4, and when the gate receives an active level (for example, H level) control signal φAddress1 from the pixel control block PBK via a feedback line (not shown) and the selection control line 76. The pixel P is selected by turning it on, and turned off when the gate receives a non-active level (for example, L level) control signal φAddress1. The reset unit 74 resets the charge / voltage conversion unit 71. The reset unit 74 includes, for example, a reset transistor M5, and when a gate receives an active level (for example, H level) control signal φReset1 from the pixel control block PBK via a feedback line (not shown) and the reset control line 78. The charge voltage conversion unit 71 is reset by turning it on, and the reset of the charge voltage conversion unit 71 is released by turning it off when a non-active level (for example, L level) control signal φReset1 is received at the gate.

また、画素増幅回路70は、そのゲインを制御可能に構成されている。画素増幅回路70は、画素制御ブロックPBKから定常状態のゲインを維持するように制御信号2で指示されている間、ゲインが第1のゲインに制御されている。画素増幅回路70は、画素制御ブロックPBKからゲインを定常状態より下げるように制御信号2で指示されている間、ゲインが第2のゲインに制御されている。第2のゲインは、第1のゲインより低いゲインである。   The pixel amplifier circuit 70 is configured to be able to control its gain. While the pixel amplifier circuit 70 is instructed by the control signal 2 to maintain the steady state gain from the pixel control block PBK, the gain is controlled to the first gain. While the pixel amplifier circuit 70 is instructed by the control signal 2 to lower the gain from the steady state from the pixel control block PBK, the gain is controlled to the second gain. The second gain is a gain lower than the first gain.

画素増幅回路70は、図9に示すように、ゲイン調整部75をさらに有する。ゲイン調整部75は、伝達部77(フローティングゲートFG)のゲインを調整する。ゲイン調整部75は、スイッチ751及び容量素子752を有する。スイッチ751は、容量素子752の一端をフローティングゲートFGに接続する。スイッチ751は、オンすることで、容量素子752の一端をフローティングゲートFGに接続し、フローティングゲートFGの負荷容量を大きくしてフローティングゲートFGのゲインを下げる。スイッチ751は、オフすることで、容量素子752の一端をフローティングゲートFGから電気的に遮断し、フローティングゲートFGの負荷容量を小さくしてフローティングゲートFGのゲインを上げる。   The pixel amplifier circuit 70 further includes a gain adjustment unit 75 as shown in FIG. The gain adjustment unit 75 adjusts the gain of the transmission unit 77 (floating gate FG). The gain adjustment unit 75 includes a switch 751 and a capacitive element 752. The switch 751 connects one end of the capacitor 752 to the floating gate FG. When the switch 751 is turned on, one end of the capacitor 752 is connected to the floating gate FG, the load capacity of the floating gate FG is increased, and the gain of the floating gate FG is decreased. When the switch 751 is turned off, one end of the capacitor 752 is electrically cut off from the floating gate FG, and the load capacity of the floating gate FG is reduced to increase the gain of the floating gate FG.

スイッチ751は、例えば、トランジスタM6を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線143(図8参照)及びゲイン制御線79経由でノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φGain(制御信号2)をゲートに受けた際にオフすることで、フローティングゲートFGのゲインを上げる。これにより、画素増幅回路70のゲインが第1のゲインに制御される。   The switch 751 includes, for example, a transistor M6, and receives a non-active level (for example, L level) control signal φGain (control signal 2) from the pixel control block PBK via the feedback line 143 (see FIG. 8) and the gain control line 79. By turning off when received by the gate, the gain of the floating gate FG is increased. As a result, the gain of the pixel amplifier circuit 70 is controlled to the first gain.

スイッチ751は、例えば、画素制御ブロックPBKからフィードバック線143(図8参照)及びゲイン制御線79経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φGain(制御信号2)をゲートに受けた際にオンすることで、フローティングゲートFGのゲインを下げる。これにより、画素増幅回路70のゲインが第2のゲインに制御される。   The switch 751 receives, for example, an active level (for example, H level) control signal φGain (control signal 2) from the pixel control block PBK via the feedback line 143 (see FIG. 8) and the gain control line 79 at the gate. By turning on, the gain of the floating gate FG is lowered. As a result, the gain of the pixel amplifier circuit 70 is controlled to the second gain.

画素Pの動作についてより詳細に説明する。図10は、画素Pの動作駆動ミングの一例を示している。図10に示した動作タイミングでは、ストレージダイオードSDに受光部(フォトダイオードPD)から信号電子が読み出される前に、リセットトランジスタM5(φReset1)をオン状態とすることでフローティングディフュージョンFDの電位を基準電位に設定し、その後リセットトランジスタM5(φReset1)を再びオフ状態とする。その後、フローティングディフュージョンFDから増幅トランジスタM3を介して基準信号レベルを読みだす。その後、転送トランジスタM1(φRead)がオン状態となることで、フォトダイオードPDの電荷をストレージダイオードSDに転送する。ストレージダイオードSDに信号電荷が蓄積された状態での信号出力が画素増幅回路70を介して読み出される。後段の回路において読み出された信号と基準信号レベルの差分を取ることで、増幅トランジスタM3の出力オフセット雑音、フローティングディフュージョンFDで発生するkTC雑音を除去する。信号の読出しが終了した後には、制御回路140(図8)において信号レベルの検定が行われ、その結果、画素Pでの信号蓄積を終了し信号電荷を排出すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオン状態となるよう制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷が排出される。その際、転送トランジスタM1には、オフ状態となるよう制御信号3(φRead)が印加される。制御回路140における信号検定により、画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷はそのままストレージダイオードSDに保持され、信号電荷を破壊することなくストレージダイオードSDでの信号蓄積が継続される。   The operation of the pixel P will be described in detail. FIG. 10 shows an example of operation driving of the pixel P. At the operation timing shown in FIG. 10, before the signal electrons are read from the light receiving unit (photodiode PD) to the storage diode SD, the reset transistor M5 (φReset1) is turned on to change the potential of the floating diffusion FD to the reference potential. Then, the reset transistor M5 (φReset1) is turned off again. Thereafter, the reference signal level is read from the floating diffusion FD via the amplification transistor M3. Thereafter, the transfer transistor M1 (φRead) is turned on to transfer the charge of the photodiode PD to the storage diode SD. A signal output in a state where signal charges are accumulated in the storage diode SD is read out through the pixel amplifier circuit 70. By taking the difference between the signal read in the subsequent circuit and the reference signal level, the output offset noise of the amplification transistor M3 and the kTC noise generated in the floating diffusion FD are removed. After the signal reading is completed, the control circuit 140 (FIG. 8) performs a signal level test. As a result, if it is determined that the signal accumulation in the pixel P is completed and the signal charge is discharged, the reset transistor Control signal 1 (φReset2) is applied so that M2 is turned on, and the signal charge accumulated in storage diode SD is discharged. At this time, the control signal 3 (φRead) is applied to the transfer transistor M1 so as to be turned off. When it is determined by the signal test in the control circuit 140 that the signal accumulation in the pixel P is continued, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 is applied and accumulated in the storage diode SD. The signal charge is held in the storage diode SD as it is, and signal accumulation in the storage diode SD is continued without destroying the signal charge.

また、信号蓄積を継続すると判断した場合には、次のような動作としてもよい。すなわち、制御回路140(図8)において信号レベルの検定を行い、またその結果画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加されるところまでは前述の動作と同じであるが、その後にストレージダイオードSDに蓄積されている信号電荷をフォトダイオードPDに転送し、フォトダイオードPDで信号蓄積を継続してもよい。t3からt4までの期間には転送トランジスタM1(φRead)にはON状態となるようH電位が印加される(図10に示すφReadの点線波形)。このようにすることでストレージダイオードSDに蓄積された信号電荷はフォトダイオードPDに転送され、転送トランジスタM1がOFF状態になった後には、フォトダイオードPDで信号蓄積が継続される。   Further, when it is determined that the signal accumulation is continued, the following operation may be performed. That is, when the signal level is verified in the control circuit 140 (FIG. 8) and it is determined that the signal accumulation in the pixel P is continued as a result, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 However, the signal charge stored in the storage diode SD may be transferred to the photodiode PD and the signal storage may be continued in the photodiode PD. During the period from t3 to t4, an H potential is applied to the transfer transistor M1 (φRead) so as to be in an ON state (a dotted waveform of φRead shown in FIG. 10). In this way, the signal charge accumulated in the storage diode SD is transferred to the photodiode PD, and signal accumulation is continued in the photodiode PD after the transfer transistor M1 is turned off.

図8に戻って、画素制御ブロックPBKは、ゲインアンプ110、A/D変換回路(ADC)120、画素ブロックメモリー130、及び制御回路140を有する。ゲインアンプ110は、信号線111を介して画素制御ブロックPBKの入力端子に接続され、信号線112を介してADC120の入力に接続されている。ADC120は、信号線112を介してゲインアンプ110の出力に接続され、信号線121を介して画素ブロックメモリー130に接続されている。すなわち、ADC120は、画素群PGの出力端子に電気的に接続されている。ゲインアンプ110は、画素群PGの出力端子とADC120との間に電気的に接続されている。画素ブロックメモリー130は、信号線121を介してADC120の出力に接続され、信号線131を介して制御回路140の入力に接続されている。画素ブロックメモリー130は、ADC120から出力された信号(デジタル信号)の値を、サブフレーム蓄積期間ごとに格納する。   Returning to FIG. 8, the pixel control block PBK includes a gain amplifier 110, an A / D conversion circuit (ADC) 120, a pixel block memory 130, and a control circuit 140. The gain amplifier 110 is connected to the input terminal of the pixel control block PBK via the signal line 111 and is connected to the input of the ADC 120 via the signal line 112. The ADC 120 is connected to the output of the gain amplifier 110 via the signal line 112 and is connected to the pixel block memory 130 via the signal line 121. That is, the ADC 120 is electrically connected to the output terminal of the pixel group PG. The gain amplifier 110 is electrically connected between the output terminal of the pixel group PG and the ADC 120. The pixel block memory 130 is connected to the output of the ADC 120 via the signal line 121, and is connected to the input of the control circuit 140 via the signal line 131. The pixel block memory 130 stores the value of the signal (digital signal) output from the ADC 120 for each subframe accumulation period.

制御回路140は、信号線131を介して画素ブロックメモリー130に接続されている。制御回路140は、フィードバック線141を介して画素群PGの各画素Pの電荷蓄積部60に接続されている。制御回路140は、フィードバック線141を介して画素Pの電荷蓄積部60に制御信号1(φReset2)を供給する。制御回路140は、フィードバック線143を介して画素群PGの各画素Pの画素増幅回路70に接続されている。制御回路140は、フィードバック線143を介して画素Pの画素増幅回路70に制御信号2(φGain)を供給する。制御回路140は、フィードバック線147を介して画素群PGの各画素Pの電荷蓄積部60に接続されている。制御回路140は、フィードバック線147を介して画素Pの電荷蓄積部60に制御信号3(φRead)を供給する。制御回路140は、フィードバック線144を介してゲインアンプ110に接続されている。制御回路140は、フィードバック線142を介してADC120に接続されている。制御回路140は、制御線145を介してロジック回路11aに接続されている。制御回路140は、制御線145を介してロジック回路11aから制御信号を受ける。制御回路140は、データ線146を介してフレームメモリー11bに接続されている。制御回路140は、データ線146を介してデータをフレームメモリー11bへ出力する。   The control circuit 140 is connected to the pixel block memory 130 via the signal line 131. The control circuit 140 is connected to the charge storage unit 60 of each pixel P of the pixel group PG via the feedback line 141. The control circuit 140 supplies a control signal 1 (φReset2) to the charge storage unit 60 of the pixel P via the feedback line 141. The control circuit 140 is connected to the pixel amplification circuit 70 of each pixel P of the pixel group PG via the feedback line 143. The control circuit 140 supplies a control signal 2 (φGain) to the pixel amplification circuit 70 of the pixel P via the feedback line 143. The control circuit 140 is connected to the charge storage unit 60 of each pixel P of the pixel group PG via the feedback line 147. The control circuit 140 supplies a control signal 3 (φRead) to the charge storage unit 60 of the pixel P via the feedback line 147. The control circuit 140 is connected to the gain amplifier 110 via the feedback line 144. The control circuit 140 is connected to the ADC 120 via the feedback line 142. The control circuit 140 is connected to the logic circuit 11a via the control line 145. The control circuit 140 receives a control signal from the logic circuit 11a via the control line 145. The control circuit 140 is connected to the frame memory 11b via the data line 146. The control circuit 140 outputs data to the frame memory 11b via the data line 146.

制御回路140は、比較器140a及びロジック回路140bを有する。比較器140aは、画素ブロックメモリー130に格納されたサブフレーム蓄積期間ごとの信号の値を互いに比較するように構成されている。あるいは、比較器140aは、画素ブロックメモリー130に格納されたサブフレーム蓄積期間ごとの信号の値をレファレンス値と比較するように構成されていてもよい。ロジック回路140bは、比較器140aの比較結果に応じて、制御信号1、制御信号2、及び制御信号3を生成する。   The control circuit 140 includes a comparator 140a and a logic circuit 140b. The comparator 140a is configured to compare signal values for each subframe accumulation period stored in the pixel block memory 130 with each other. Alternatively, the comparator 140a may be configured to compare a signal value for each subframe accumulation period stored in the pixel block memory 130 with a reference value. The logic circuit 140b generates the control signal 1, the control signal 2, and the control signal 3 according to the comparison result of the comparator 140a.

例えば、図11に示すように、制御回路140は、被写体の動き検出判断を行い、画素Pの電荷蓄積動作を適応制御することができる。図11は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。制御回路140は、1フレーム蓄積期間内のサブフレーム数Nに応じて、bit階調を適正な階調に調整するように、ADC120を制御する。また、画素制御ブロックPBKは、画素Pから信号を非破壊状態で読み出す。制御回路140は、注目するサブフレーム蓄積期間の信号値とそれ以前のサブフレーム蓄積期間の信号値とを比較することで、被写体の動きを検出する。制御回路140は、画素制御ブロック毎の信号代表値(例えばmedian値)を注目するサブフレーム蓄積期間とそれ以前のサブフレーム蓄積期間とのそれぞれについて求める。制御回路140は、両者の差分が所定の範囲内に収まれば被写体が静止していると判断し、両者の差分が所定の範囲外になれば被写体が動いていると判断する。被写体の動き検出判断は、固体撮像装置5における複数の画素制御ブロックの間で互いに並行して行われる。   For example, as shown in FIG. 11, the control circuit 140 can perform subject motion detection determination and adaptively control the charge accumulation operation of the pixel P. FIG. 11 is a diagram illustrating the operation of the pixel control block PBK. The control circuit 140 controls the ADC 120 so as to adjust the bit gradation to an appropriate gradation according to the number N of subframes within one frame accumulation period. Further, the pixel control block PBK reads a signal from the pixel P in a non-destructive state. The control circuit 140 detects the movement of the subject by comparing the signal value in the subframe accumulation period of interest with the signal value in the previous subframe accumulation period. The control circuit 140 obtains a signal representative value (for example, median value) for each pixel control block for each of the subframe accumulation period of interest and the previous subframe accumulation period. The control circuit 140 determines that the subject is stationary if the difference between the two is within a predetermined range, and determines that the subject is moving if the difference between the two is outside the predetermined range. The subject motion detection determination is performed in parallel between the plurality of pixel control blocks in the solid-state imaging device 5.

動きが検出された画素制御ブロックPBKの制御回路140は、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。また、制御回路140は、動きが止まるまで各サブフレーム蓄積期間の信号のそれぞれを別々にフレームメモリー11bに格納させる。これにより、画像全体における動きが検出された領域について1フレーム蓄積期間より短いサブフレーム蓄積期間で電荷蓄積動作が繰り返し行われるようにすることができ、動きが検出された領域について撮像の時間解像度を向上できる。すなわち、信号蓄積時間が短くmotion blurの無いsub−frameデータを順次出力することができる。   The control circuit 140 of the pixel control block PBK in which the motion is detected instructs the control signal 1 to cancel the charge accumulation, and completes the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P. Further, the control circuit 140 stores each signal of each subframe accumulation period in the frame memory 11b separately until the movement stops. Accordingly, the charge accumulation operation can be repeatedly performed in the sub-frame accumulation period shorter than the one-frame accumulation period for the area in which the movement in the entire image is detected. Can be improved. That is, sub-frame data with a short signal accumulation time and no motion blur can be sequentially output.

動きが検出されない画素制御ブロックPBKの制御回路140は、電荷の蓄積を継続するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を継続させる。制御回路140は、動きが検出されるまでは各サブフレーム蓄積期間の信号をフレームメモリー11b上で上書きさせる。ただし、制御回路140は、いずれかの画素Pの信号が飽和した場合、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。これにより、被写体の動き検出判断の検出精度を高くすることができる。   The control circuit 140 of the pixel control block PBK whose motion is not detected instructs the control signal 1 to continue the charge accumulation, and continues the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P. The control circuit 140 overwrites the signal of each subframe accumulation period on the frame memory 11b until motion is detected. However, when the signal of any pixel P is saturated, the control circuit 140 instructs the control signal 1 to cancel the charge accumulation, and completes the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P. Thereby, the detection accuracy of the subject motion detection determination can be increased.

あるいは、例えば、図12に示すように、制御回路140は、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行い、画素Pの電荷蓄積動作を適応制御することができる。図12は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。図12では、サブフレーム数N=8である場合について例示されている。フレーム蓄積期間Tfの開始から(Tf)/8が経過したタイミングで、制御回路140は、信号値とレファレンス値とを比較する。レファレンス値は、ADC120の最大入力レンジに応じたレファレンス値である。   Alternatively, for example, as illustrated in FIG. 12, the control circuit 140 can perform dynamic range constraint determination for signal readout and adaptively control the charge accumulation operation of the pixel P. FIG. 12 is a diagram illustrating the operation of the pixel control block PBK. FIG. 12 illustrates the case where the number of subframes N = 8. At the timing when (Tf) / 8 has elapsed from the start of the frame accumulation period Tf, the control circuit 140 compares the signal value with the reference value. The reference value is a reference value corresponding to the maximum input range of the ADC 120.

制御回路140は、信号値がレファレンス値以上である場合(例えばケース1の場合)、信号読み出しのダイナミックレンジに余裕がないと判断し、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。   When the signal value is equal to or greater than the reference value (for example, in case 1), the control circuit 140 determines that there is no room in the signal reading dynamic range, and instructs the control signal 1 to cancel the charge accumulation, The charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P is completed.

制御回路140は、信号値がレファレンス値未満である場合(例えばケース2,3の場合)、信号読み出しのダイナミックレンジに余裕があると判断し、電荷の蓄積を継続するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を継続させる。これにより、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び信号線SL(図8参照)のいずれかのダイナミックレンジによる制約を受けることなく、電荷蓄積期間を長くできるので、画素信号のS/Nを改善できる。また、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行って画素Pの電荷蓄積動作の制御を画素制御ブロックPBK毎に適応的に行うので、画面で等しく電荷蓄積期間の制御を行う場合と比べて、各画素制御ブロックPBK毎に適正な電荷蓄積期間を設定できる。すなわち、低照度被写体を撮像する画素では電荷蓄積期間を長くできるので、再生画像での低照度被写体のS/Nを向上する。この結果、広ダイナミックレンジ化と高S/N化とを同時に実現させることができる。   When the signal value is less than the reference value (for example, in cases 2 and 3), the control circuit 140 determines that there is a margin in the dynamic range of signal readout and instructs the control signal 1 to continue the charge accumulation. Then, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P is continued. Accordingly, the charge accumulation period can be extended without being restricted by the dynamic range of any one of the photoelectric conversion unit 50, the charge accumulation unit 60, and the signal line SL (see FIG. 8). Can improve. Further, since the dynamic range constraint determination of signal readout is performed and the charge accumulation operation of the pixel P is adaptively controlled for each pixel control block PBK, each pixel is compared with the case where the charge accumulation period is equally controlled on the screen. An appropriate charge accumulation period can be set for each control block PBK. In other words, since the charge accumulation period can be extended in the pixel that captures the low-light subject, the S / N of the low-light subject in the reproduced image is improved. As a result, wide dynamic range and high S / N can be realized at the same time.

なお、この場合、制御回路140は、どの程度余裕があるのかを見積もってもよい。制御回路140は、信号値をサブフレーム数N倍(この場合、8倍)した値とレファレンス値とを比較する。制御回路140は、信号値をN倍した値がレファレンス値未満である場合、1フレーム蓄積期間に渡って信号読み出しのダイナミックレンジに余裕があると判断し、最終のサブフレーム蓄積期間まで信号読み出しを停止しても良い。また、レファレンス値としてADC120の最大入力レンジの1/K(Kは2以上の整数)の値とした場合、Kフレーム蓄積期間に渡って信号読み出しを停止し、Kフレーム蓄積期間の終了時に信号を読みだす動作としても良い。   In this case, the control circuit 140 may estimate how much room is available. The control circuit 140 compares the value obtained by multiplying the signal value by N times the number of subframes (in this case, 8 times) with the reference value. When the value obtained by multiplying the signal value by N is less than the reference value, the control circuit 140 determines that there is a margin in the dynamic range of signal readout over one frame accumulation period, and performs signal readout until the final subframe accumulation period. You may stop. Further, when the reference value is 1 / K of the maximum input range of the ADC 120 (K is an integer of 2 or more), signal reading is stopped over the K frame accumulation period, and a signal is output at the end of the K frame accumulation period. It is good also as operation to read out.

このとき、制御回路140は、読出すサブフレーム回数によって、画素制御ブロックPBK毎にADC120のビット階調を変えてもよい。例えば、サブフレーム読出し回数が多く、ADC120の入力レンジに対して信号量が少ない場合にはビット階調を下げてもよい。   At this time, the control circuit 140 may change the bit gradation of the ADC 120 for each pixel control block PBK depending on the number of subframes to be read. For example, the bit gradation may be lowered when the number of subframe readings is large and the signal amount is small with respect to the input range of the ADC 120.

あるいは、例えば、図13に示すように、制御回路140は、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行い、画素Pの画素増幅回路70のゲインとゲインアンプ110のゲインとを適応制御することができる。図13は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。   Alternatively, for example, as illustrated in FIG. 13, the control circuit 140 can perform dynamic range constraint determination for signal readout and adaptively control the gain of the pixel amplification circuit 70 of the pixel P and the gain of the gain amplifier 110. FIG. 13 is a diagram illustrating the operation of the pixel control block PBK.

制御回路140は、サブフレーム蓄積期間の出力信号をレファレンス値と比較する。制御回路140は、比較結果に応じて、1フレーム蓄積期間の終了時に信号がADC120の最大入力レンジ(図12参照)より大きくなると判断した場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。   The control circuit 140 compares the output signal during the subframe accumulation period with the reference value. When the control circuit 140 determines that the signal is larger than the maximum input range of the ADC 120 (see FIG. 12) at the end of one frame accumulation period according to the comparison result, the control circuit 140 uses the control signal 1 to indicate the charge accumulation unit 60 of each pixel P. The charge accumulation operation is completed (see FIG. 8), and the gain of the pixel amplifier circuit 70 is decreased from the first gain to the second gain by the control signal 1, and the voltage amplification gain of the gain amplifier 110 is decreased. Do at least one.

例えば、図14に実線で示すケース4のように、1フレーム蓄積期間Tfの1/4の期間で信号レベルがADC120の最大入力レンジに達する場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/3になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。図14は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。これにより、図14に一点鎖線で示すケース4’のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。そして、次の1フレーム蓄積期間の開始時に、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/4になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。これにより、次の1フレーム蓄積期間では、図14に実線で示すケース6のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。   For example, as in case 4 indicated by a solid line in FIG. 14, when the signal level reaches the maximum input range of the ADC 120 in a quarter of one frame accumulation period Tf, the charge accumulation unit 60 of each pixel P is controlled by the control signal 1. The charge accumulation operation is completed (see FIG. 8), and the gain of the pixel amplification circuit 70 is changed from the first gain to the second gain by the control signal 1 so that the gain of the signal becomes 1/3 of the current gain. And at least one of lowering the voltage amplification gain of the gain amplifier 110 is performed. FIG. 14 is a diagram illustrating the operation of the pixel control block PBK. As a result, it is possible to reach the maximum input range of the ADC 120 at the end of one frame accumulation period, as in the case 4 ′ shown by the alternate long and short dash line in FIG. 14. Then, at the start of the next one frame accumulation period, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P is completed by the control signal 1 (see FIG. 8), and the signal gain is reduced to ¼ of the current gain. Thus, at least one of lowering the gain of the pixel amplifier circuit 70 from the first gain to the second gain and lowering the voltage amplification gain of the gain amplifier 110 is performed by the control signal 1. As a result, in the next one frame accumulation period, the maximum input range of the ADC 120 can be reached at the end of the one frame accumulation period, as in case 6 indicated by a solid line in FIG.

例えば、図14に実線で示すケース5のように、1フレーム蓄積期間Tfの1/2の期間で信号レベルがADC120の最大入力レンジに達する場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインを維持する。これにより、図14に一点鎖線で示すケース5’のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。そして、次の1フレーム蓄積期間の開始時に、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/2になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。これにより、次の1フレーム蓄積期間では、図14に実線で示すケース6のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。   For example, as in case 5 indicated by a solid line in FIG. 14, when the signal level reaches the maximum input range of the ADC 120 in a half of one frame accumulation period Tf, the charge accumulation unit 60 of each pixel P is controlled by the control signal 1. (See FIG. 8) and the signal gain is maintained. As a result, the maximum input range of the ADC 120 can be reached at the end of one frame accumulation period, as in the case 5 ′ indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 14. Then, at the start of the next one frame accumulation period, the charge accumulation operation of the charge accumulation unit 60 of each pixel P is completed by the control signal 1 (see FIG. 8), and the signal gain is reduced to ½ of the current gain. Thus, at least one of lowering the gain of the pixel amplifier circuit 70 from the first gain to the second gain and lowering the voltage amplification gain of the gain amplifier 110 is performed by the control signal 1. As a result, in the next one frame accumulation period, the maximum input range of the ADC 120 can be reached at the end of the one frame accumulation period, as in case 6 indicated by a solid line in FIG.

これにより、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び信号線SL(図8参照)のいずれかのダイナミックレンジによる制約を受けることなく画素Pに電荷蓄積動作を行わせることができ、画素Pで光電変換により得た信号電荷のほぼ全てを利用することができる。この結果、ダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。また、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断の動作を画素制御ブロック毎に適応的に行うので、画面で等しく蓄積時間の制御を行う場合と比べて、各画素制御ブロック毎に最適の蓄積時間を設定することができる。これにより、広ダイナミックレンジ化と高S/N化とを両方を同時に実現させることができる。   This allows the pixel P to perform a charge accumulation operation without being restricted by the dynamic range of any one of the photoelectric conversion unit 50, the charge accumulation unit 60, and the signal line SL (see FIG. 8). Almost all signal charges obtained by photoelectric conversion can be used. As a result, a signal with a wide dynamic range can be obtained. In addition, since the dynamic range constraint judgment operation for signal readout is adaptively performed for each pixel control block, an optimal accumulation time is set for each pixel control block as compared to the case where the accumulation time is controlled equally on the screen. be able to. Thereby, both a wide dynamic range and a high S / N can be realized at the same time.

なお、上記の画素/画素制御ブロックの制御は、適宜組み合わせて行うことができる。これにより、被写体が静止している場合には、信号蓄積時間を最大限に長くすることができ、その一方で被写体が動いた場合には、信号蓄積時間を短くすることができるので、motion blurの無い解像度の高い画像を得ることができる。また、画素制御ブロック毎或いは画素毎に画素、アナログ回路のダイナミックレンジを最大限まで有効に利用した上で、暗時ノイズが低くでき高いS/Nを実現することができる。また、一つのフレームの信号を複数のSub−frameに分割して読出し、後段のメモリーで合成して1画面を再構成する場合には、ADC120のbit精度を低減することができる。画素での信号蓄積時間を長くし、尚且つsub−frame読出しによるサンプリングも行わない場合にはADC120の動作を停止することができるので、消費電力を低減することができる。   Note that the control of the pixel / pixel control block can be performed in combination as appropriate. Thereby, when the subject is stationary, the signal accumulation time can be maximized. On the other hand, when the subject moves, the signal accumulation time can be shortened. It is possible to obtain a high-resolution image with no image. In addition, the noise in the dark can be reduced and high S / N can be realized while effectively utilizing the dynamic range of the pixel and analog circuit for each pixel control block or for each pixel. In addition, when one frame signal is divided and read into a plurality of sub-frames and combined in a subsequent memory to reconstruct one screen, the bit accuracy of the ADC 120 can be reduced. When the signal accumulation time in the pixel is extended and sampling by sub-frame reading is not performed, the operation of the ADC 120 can be stopped, so that power consumption can be reduced.

以上のように、実施形態では、固体撮像装置5において、画素配列12を複数の画素群PGに分割し、基板接合を用いたチップ積層化により各画素群PGの下に電極の接合点を配置できるようにし、画素群PGごとに電荷蓄積期間及び/又は信号のゲインを制御する。半導体チップCH1には、画素配列12が配されているが、固体撮像装置5内の他の構成(周辺回路13、信号処理回路11)が配されていないので、多画素化した場合でも画素サイズの縮小を抑制しながらチップサイズを容易に縮小化できる。言い換えると、各画素Pの画素配列サイズを確保しながらチップサイズを容易に縮小化できる。また、基板接合を用いたチップ積層化により、半導体チップCH1における画素Pと半導体チップCH2における画素制御ブロックPBKとの間で、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度を向上させることができる。これにより、1フレーム蓄積期間をN分割したサブフレーム蓄積期間の単位で画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインを適応制御できるので、信号のダイナミックレンジを容易に拡大できる。したがって、チップサイズの縮小化と高ダイナミックレンジ化とを両立させることができる。   As described above, in the embodiment, in the solid-state imaging device 5, the pixel array 12 is divided into a plurality of pixel groups PG, and electrode junction points are arranged under each pixel group PG by stacking chips using substrate bonding. The charge accumulation period and / or the signal gain is controlled for each pixel group PG. Although the pixel array 12 is arranged on the semiconductor chip CH1, the other sizes (peripheral circuit 13 and signal processing circuit 11) in the solid-state imaging device 5 are not arranged, so that the pixel size is increased even when the number of pixels is increased. It is possible to easily reduce the chip size while suppressing the reduction in size. In other words, the chip size can be easily reduced while ensuring the pixel array size of each pixel P. Further, by stacking the chips using substrate bonding, the degree of parallelism between the control of each pixel P and the reading of the signal from each pixel P between the pixel P in the semiconductor chip CH1 and the pixel control block PBK in the semiconductor chip CH2. Can be improved. Accordingly, the charge accumulation period of the pixel and / or the gain of the pixel signal can be adaptively controlled in units of subframe accumulation periods obtained by dividing one frame accumulation period into N, so that the signal dynamic range can be easily expanded. Therefore, it is possible to achieve both reduction in chip size and high dynamic range.

また、1フレーム蓄積期間をN分割したサブフレーム蓄積期間の単位で画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインを適応制御できるので、S/N比を向上でき、動体撮像時の動体歪みを低減する高品質の画像を提供することができる。   In addition, since the charge accumulation period of the pixel and / or the gain of the pixel signal can be adaptively controlled in units of subframe accumulation periods obtained by dividing one frame accumulation period into N, the S / N ratio can be improved, and the moving object distortion during moving object imaging It is possible to provide a high-quality image that reduces image quality.

また、実施形態では、各画素Pの画素増幅回路70において、フローティングゲートFGは、一端が電荷保持部61に容量的に結合され、他端が電荷電圧変換部71に電気的に接続されている。これにより、信号を電荷保持部61からフローティングゲートFGへ容量的に伝達でき、フローティングゲートFGから電荷電圧変換部71へ伝達できるので、出力部72から信号が信号線SLへ出力される間に電荷保持部61に保持された信号(電荷)を非破壊の状態に維持できる。また、各画素Pがこのような非破壊読み出し構造を有するので、各画素Pに電荷(信号)を保持させた状態を維持しながらサブフレーム蓄積期間の単位での画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインの適用制御を行うことができる。   In the embodiment, in the pixel amplification circuit 70 of each pixel P, the floating gate FG has one end capacitively coupled to the charge holding unit 61 and the other end electrically connected to the charge voltage conversion unit 71. . As a result, a signal can be capacitively transmitted from the charge holding unit 61 to the floating gate FG, and can be transmitted from the floating gate FG to the charge-voltage conversion unit 71. The signal (charge) held in the holding unit 61 can be maintained in a non-destructive state. In addition, since each pixel P has such a non-destructive readout structure, the charge accumulation period of the pixel and / or the unit of the subframe accumulation period and / or the state in which the charge (signal) is retained in each pixel P is maintained. Application control of the gain of the pixel signal can be performed.

なお、各画素制御ブロックPBKにおける画素ブロックメモリー130(図8参照)でフレームメモリー11bを代用してもよい。この場合、図15に示すように、半導体チップCHsp’においてフレームメモリー11bが省略されていてもよい。図15は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。   The frame memory 11b may be substituted for the pixel block memory 130 (see FIG. 8) in each pixel control block PBK. In this case, as shown in FIG. 15, the frame memory 11b may be omitted from the semiconductor chip CHsp ′. FIG. 15 is an exploded perspective view showing a stacked configuration of the solid-state imaging device 5.

あるいは、図16に示すように、複数の画素P−i〜P−(i+3)で制御信号1、制御信号2、制御信号3を共有するように構成されていてもよい。図16は、共有化された複数の画素P−i〜P−(i+3)の構成を示す回路図である。複数の画素P−i〜P−(i+3)では、画素増幅回路70における伝達部77−i〜77−(i+3)以外の構成が共有化されている。これにより、ゲイン調整部75には、複数の画素P−i〜P−(i+3)に共通の制御信号2が供給される。制御信号1、制御信号3は、図17に示すように、選択信号φSelecti〜φSelecti+3が択一的にアクティブレベルになることによりトランジスタM11,M21,M31,M41から選択された1つのトランジスタとトランジスタM13,M23,M33,M43から選択された1つのトランジスタとトランジスタM12,M22,M32,M42から選択された1つのトランジスタとがオンすることで、電荷蓄積部60a−i〜60a−(i+3)のいずれかに選択的に供給される。   Alternatively, as shown in FIG. 16, a plurality of pixels Pi to P- (i + 3) may be configured to share the control signal 1, the control signal 2, and the control signal 3. FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a plurality of shared pixels Pi to P- (i + 3). The plurality of pixels Pi to P- (i + 3) share a configuration other than the transmission units 77-i to 77- (i + 3) in the pixel amplifier circuit 70. Thereby, the control signal 2 common to the plurality of pixels Pi to P- (i + 3) is supplied to the gain adjusting unit 75. As shown in FIG. 17, the control signal 1 and the control signal 3 are one transistor selected from the transistors M11, M21, M31, and M41 and the transistor M13 when the selection signals φSelecti to φSelecti + 3 are alternatively set to the active level. , M23, M33, M43 and one transistor selected from the transistors M12, M22, M32, M42 are turned on, so that any of the charge storage units 60a-i to 60a- (i + 3) Selectively supplied.

その際、制御回路140における信号検定により画素Pでの信号蓄積を終了し信号電荷を排出すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオン状態となるよう制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷が排出される。その際、転送トランジスタM1には、オフ状態となるよう制御信号3(φRead)が印加される。制御回路140における信号検定により、画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷はそのままストレージダイオードSDに保持され、信号電荷を破壊することなくストレージダイオードSDでの信号蓄積が継続される。   At this time, if it is determined by signal verification in the control circuit 140 that the signal accumulation in the pixel P is completed and the signal charge is discharged, the control signal 1 (φReset2) is applied so that the reset transistor M2 is turned on. The signal charge accumulated in the diode SD is discharged. At this time, the control signal 3 (φRead) is applied to the transfer transistor M1 so as to be turned off. When it is determined by the signal test in the control circuit 140 that the signal accumulation in the pixel P is continued, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 is applied and accumulated in the storage diode SD. The signal charge is held in the storage diode SD as it is, and signal accumulation in the storage diode SD is continued without destroying the signal charge.

また、信号蓄積を継続すると判断した場合には、次のような動作としてもよい。すなわち、制御回路140(図8)において信号レベルの検定を行い、またその結果画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加されるところまでは前述の動作と同じであるが、その後にストレージダイオードSDに蓄積されている信号電荷をフォトダイオードPDに転送し、フォトダイオードPDで信号蓄積を継続してもよい。t3からt4までの期間には転送トランジスタM1(φRead)にはON状態となるようH電位が印加される(図17に示すφReadの点線波形)。このようにすることでストレージダイオードSDに蓄積された信号電荷はフォトダイオードPDに転送され、転送トランジスタがOFF状態になった後には、フォトダイオードPDで信号蓄積が継続される。   Further, when it is determined that the signal accumulation is continued, the following operation may be performed. That is, when the signal level is verified in the control circuit 140 (FIG. 8) and it is determined that the signal accumulation in the pixel P is continued as a result, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 However, the signal charge stored in the storage diode SD may be transferred to the photodiode PD and the signal storage may be continued in the photodiode PD. During the period from t3 to t4, an H potential is applied to the transfer transistor M1 (φRead) so as to be in an ON state (a dotted waveform of φRead shown in FIG. 17). In this way, the signal charge accumulated in the storage diode SD is transferred to the photodiode PD, and signal accumulation is continued in the photodiode PD after the transfer transistor is turned off.

また、伝達部77−i〜77−(i+3)は、画素制御ブロックPBKからの選択信号φSelecti〜φSelecti+3が択一的にアクティブレベルになることにより、電荷蓄積部60a−i〜60a−(i+3)のいずれかの信号に応じた電荷が電荷電圧変換部71へ転送されるようになっている。選択信号φSelecti〜φSelecti+3は、画素制御ブロックPBKから供給されても良いし、或いはセンサーチップ上に駆動回路を設け、そこから供給しても良い。図17は、共有化された複数の画素P−i〜P−(i+3)の動作を示す波形図である。   Further, the transfer units 77-i to 77- (i + 3) have the charge accumulation units 60a-i to 60a- (i + 3) when the selection signals φSelecti to φSelecti + 3 from the pixel control block PBK are alternatively set to the active level. The charge corresponding to any one of the signals is transferred to the charge-voltage converter 71. The selection signals φSelecti to φSelecti + 3 may be supplied from the pixel control block PBK, or may be supplied from a drive circuit provided on the sensor chip. FIG. 17 is a waveform diagram showing the operation of a plurality of shared pixels Pi to P- (i + 3).

このように、複数の画素P−i〜P−(i+3)で制御信号1、制御信号2、制御信号3を共有するので、複数の画素P−i〜P−(i+3)と画素制御ブロックPBKとの間で制御信号1、制御信号2、制御信号3のために設ける電極EL(図4参照)の個数を減らせる。これにより、半導体チップCH1,CH2の面積の縮小がより容易になる。複数のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成は、本変形例で示した4つのフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成に限る事はなく、例えば、2個のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成、或いは8個のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成も可能である。   In this way, since the control signal 1, the control signal 2, and the control signal 3 are shared by the plurality of pixels Pi to P- (i + 3), the plurality of pixels Pi to P- (i + 3) and the pixel control block PBK are shared. The number of electrodes EL (see FIG. 4) provided for the control signal 1, the control signal 2, and the control signal 3 can be reduced. This makes it easier to reduce the area of the semiconductor chips CH1 and CH2. The configuration in which the amplification transistor M3 is shared by the plurality of photodiodes PD is not limited to the configuration in which the amplification transistor M3 is shared by the four photodiodes PD shown in the present modification. For example, the amplification is performed by two photodiodes PD. A configuration in which the transistor M3 is shared or a configuration in which the amplification transistor M3 is shared by eight photodiodes PD is also possible.

あるいは、図18に示すように、半導体チップCH1及び半導体チップCH2に加えて半導体チップCH3をさらに積層させて固体撮像装置5を構成してもよい。図18は、固体撮像装置5の積層構成を示す断面図である。この場合、半導体チップCH1及び半導体チップCH2は基板接合で電極ピッチを容易に短くできるが、半導体チップCH2及び半導体チップCH3はバンプ接合なので基板接合より電極ピッチを長くする必要がある。そのため、図19〜図21に示すように、半導体チップCH2における画素制御ブロックの配列を複数の画素制御ブロック群PBKGに分割するとともに、画素制御ブロックPBKにおける制御回路140(図8参照)を画素制御ブロック群PBKGで共通化した制御回路140aを含むロジックブロックLBKを設け、ロジックブロックLBKを半導体チップCH3に配する。これにより、画素Pと画素制御ブロックPBKとロジックブロックLBKとの間で、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度をさらに向上させることができる。図19は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。図20は、固体撮像装置5の構成を示すブロック図である。図21は、画素P、画素制御ブロックPBK、及びロジックブロックLBKの構成を示す図である。   Alternatively, as illustrated in FIG. 18, the solid-state imaging device 5 may be configured by further stacking the semiconductor chip CH3 in addition to the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a stacked configuration of the solid-state imaging device 5. In this case, although the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 can easily shorten the electrode pitch by substrate bonding, the semiconductor chip CH2 and the semiconductor chip CH3 are bump bonding, so that the electrode pitch needs to be longer than the substrate bonding. Therefore, as shown in FIGS. 19 to 21, the array of the pixel control blocks in the semiconductor chip CH2 is divided into a plurality of pixel control block groups PBKG, and the control circuit 140 (see FIG. 8) in the pixel control block PBK is pixel-controlled. A logic block LBK including a control circuit 140a shared by the block group PBKG is provided, and the logic block LBK is arranged on the semiconductor chip CH3. Thereby, the parallelism of the control with respect to each pixel P and the reading of the signal from each pixel P can be further improved among the pixel P, the pixel control block PBK, and the logic block LBK. FIG. 19 is an exploded perspective view showing a stacked configuration of the solid-state imaging device 5. FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device 5. FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of the pixel P, the pixel control block PBK, and the logic block LBK.

このとき、各画素制御ブロックPBKにおける画素ブロックメモリー130(図21参照)でフレームメモリー11bを代用してもよい。この場合、図22に示すように、半導体チップCHsp’においてフレームメモリー11bが省略されていてもよい。図22は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。   At this time, the frame memory 11b may be substituted for the pixel block memory 130 (see FIG. 21) in each pixel control block PBK. In this case, as shown in FIG. 22, the frame memory 11b may be omitted from the semiconductor chip CHsp ′. FIG. 22 is an exploded perspective view showing a stacked configuration of the solid-state imaging device 5.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

5 固体撮像装置、 CH1,CH2,CH3,CHsp 半導体チップ。   5 Solid-state imaging device, CH1, CH2, CH3, CHsp semiconductor chip.

Claims (9)

複数の画素を含む画素群が複数配された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップが積層され、前記画素群の出力に電気的に接続されたA/D変換回路を含む画素制御ブロックが複数配された第2の半導体チップと、
を備えた固体撮像装置。
A first semiconductor chip in which a plurality of pixel groups including a plurality of pixels are arranged;
A second semiconductor chip in which a plurality of pixel control blocks including an A / D conversion circuit are stacked and the first semiconductor chip is electrically connected to an output of the pixel group;
A solid-state imaging device.
前記画素制御ブロックは、前記画素群の出力と前記A/D変換回路との間に電気的に接続されたゲインアンプをさらに含む
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel control block further includes a gain amplifier electrically connected between an output of the pixel group and the A / D conversion circuit.
前記画素制御ブロックは、前記A/D変換回路の出力に接続され前記画素群の各画素の電荷蓄積期間を制御する制御回路をさらに含む
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel control block further includes a control circuit that is connected to an output of the A / D conversion circuit and controls a charge accumulation period of each pixel of the pixel group.
前記第2の半導体チップは、複数の画素制御ブロックを含む画素制御ブロック群が複数配され、
前記固体撮像装置は、
前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップが積層され、前記画素制御ブロック群の出力に接続され前記画素制御ブロック群を介して前記画素群の各画素の電荷蓄積期間を制御する制御回路を含むロジックブロックが複数配された第3の半導体チップをさらに備えた
請求項1に記載の固体撮像装置。
The second semiconductor chip has a plurality of pixel control block groups including a plurality of pixel control blocks,
The solid-state imaging device
A control circuit in which the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are stacked, connected to the output of the pixel control block group, and controls a charge accumulation period of each pixel of the pixel group via the pixel control block group The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a third semiconductor chip in which a plurality of logic blocks including a plurality of logic blocks are arranged.
前記画素制御ブロックは、前記画素群の出力と前記A/D変換回路との間に電気的に接続されたゲインアンプをさらに含み、
前記制御回路は、前記ゲインアンプのゲインを制御する
請求項3又は4に記載の固体撮像装置。
The pixel control block further includes a gain amplifier electrically connected between the output of the pixel group and the A / D conversion circuit,
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the control circuit controls a gain of the gain amplifier.
前記画素群は、画素増幅回路を有し、
前記制御回路は、前記画素増幅回路のゲインを制御する
請求項3から5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
The pixel group includes a pixel amplification circuit,
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the control circuit controls a gain of the pixel amplification circuit.
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換部と、
前記光電変換部の電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部の電荷に応じた信号を出力する画素増幅回路と、
を有する
請求項1から5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit;
A charge storage unit that stores the charge of the photoelectric conversion unit;
A pixel amplification circuit that outputs a signal corresponding to the charge in the charge storage unit;
The solid-state imaging device according to claim 1, comprising:
前記電荷蓄積部は、
電荷保持部と、
前記光電変換部の電荷を前記電荷保持部へ転送する転送部と、
前記電荷保持部の電荷をリセットするリセット部と、
を有し、
前記画素増幅回路は、
電荷電圧変換部と、
一端が前記電荷保持部に容量的に結合され、他端が前記電荷電圧変換部に電気的に接続されたフローティングゲートと、
前記電荷電圧変換部の電圧に応じた信号を出力する出力部と、
を有する
請求項7に記載の固体撮像装置。
The charge storage unit
A charge holding unit;
A transfer unit that transfers the charge of the photoelectric conversion unit to the charge holding unit;
A reset unit for resetting the charge of the charge holding unit;
Have
The pixel amplification circuit includes:
A charge-voltage converter,
A floating gate having one end capacitively coupled to the charge holding unit and the other end electrically connected to the charge voltage conversion unit;
An output unit that outputs a signal corresponding to the voltage of the charge-voltage converter;
The solid-state imaging device according to claim 7.
前記画素増幅回路は、
容量素子と、
前記容量素子の一端を前記フローティングゲートに接続するスイッチと、
をさらに有する
請求項8に記載の固体撮像装置。
The pixel amplification circuit includes:
A capacitive element;
A switch for connecting one end of the capacitive element to the floating gate;
The solid-state imaging device according to claim 8, further comprising:
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