JP2020161914A - Solid state image sensor, imaging apparatus, and control method of solid state image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。詳しくは、信号を差動増幅して垂直信号線から出力する固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。 The present technology relates to a solid-state image sensor, an image pickup device, and a method for controlling a solid-state image sensor. More specifically, the present invention relates to a solid-state image sensor, an image pickup device, and a method for controlling a solid-state image sensor that differentially amplify a signal and output it from a vertical signal line.
従来より、撮像装置などにおいて、一対の画素のそれぞれの信号の差分を増幅する差動増幅型の固体撮像素子が用いられている。例えば、二次元格子状に画素を配列し、行方向において隣接する2つの画素のそれぞれの信号の差分を増幅して、垂直信号線から出力する固体撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, in an image pickup device or the like, a differential amplification type solid-state image sensor that amplifies the difference between the signals of a pair of pixels has been used. For example, a solid-state image sensor has been proposed in which pixels are arranged in a two-dimensional lattice, the difference between the signals of two adjacent pixels in the row direction is amplified, and the difference is output from a vertical signal line (for example, Patent Document). See 1.).
上述の従来技術では、差動増幅により感度を高くし、暗所で撮像した画像データの画質向上を図っている。しかしながら、上述の固体撮像素子では、電源から遠い行ほど垂直信号線の配線抵抗による電圧降下量が大きくなり、その電圧降下量の増大に起因して、電荷を電圧に変換する変換効率が低下するおそれがある。この行ごとの変換効率の差異により、シェーディングと呼ばれる濃度勾配が画像データに現れ、画質が低下するという問題がある。 In the above-mentioned conventional technique, the sensitivity is increased by differential amplification to improve the image quality of image data captured in a dark place. However, in the above-mentioned solid-state image sensor, the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical signal line increases as the line is farther from the power supply, and the conversion efficiency of converting electric charge into voltage decreases due to the increase in the amount of voltage drop. There is a risk. Due to this difference in conversion efficiency for each row, there is a problem that a density gradient called shading appears in the image data and the image quality deteriorates.
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、一対の画素のそれぞれの信号の差分を増幅する固体撮像素子において、画像データの画質を向上させることを目的とする。 This technique was created in view of such a situation, and aims to improve the image quality of image data in a solid-state image sensor that amplifies the difference between the signals of a pair of pixels.
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、所定のリセット電圧のノードに接続された垂直リセット入力線に所定の負荷電流を供給する負荷電流源と、上記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、一対の光電変換素子の一方から上記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して上記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、上記参照電圧と上記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、上記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路とを具備する固体撮像素子、および、その制御方法である。これにより、垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じて電荷電圧変換効率が上昇するという作用をもたらす。 The present technology has been made to solve the above-mentioned problems, and the first aspect thereof is a load current that supplies a predetermined load current to a vertical reset input line connected to a node having a predetermined reset voltage. A pair of reset transistors that initialize a pair of stray diffusion layers with a source and a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line, and a pair of stray diffusion layers from one of the pair of photoelectric conversion elements. A transfer transistor that transfers a charge to one side to generate a voltage corresponding to the amount of the charge as a signal voltage, and a pair of amplification transistors that generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage. A solid-state imaging device including a current mirror circuit that outputs a pixel signal having a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line, and a control method thereof. This has the effect of increasing the charge-voltage conversion efficiency according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
また、この第1の側面において、上記一対の光電変換素子の一方と上記一対の浮遊拡散層の一方と上記一対のリセットトランジスタの一方と上記転送トランジスタと上記一対の増幅トランジスタの一方とは、所定方向に配列された一対の画素の一方に配置され、上記一対の光電変換素子の他方と上記一対の浮遊拡散層の他方と上記一対のリセットトランジスタの他方と上記一対の増幅トランジスタの他方とは、上記一対の画素の他方に配置されてもよい。これにより、一対の画素のそれぞれの信号が差動増幅されるという作用をもたらす。 Further, in the first aspect, one of the pair of photoelectric conversion elements, one of the pair of floating diffusion layers, one of the pair of reset transistors, the transfer transistor, and one of the pair of amplification transistors are predetermined. The other of the pair of photoelectric conversion elements, the other of the pair of stray diffusion layers, the other of the pair of reset transistors, and the other of the pair of amplification transistors are arranged on one of the pair of pixels arranged in the direction. It may be arranged on the other side of the pair of pixels. This has the effect of differentially amplifying the signals of each of the pair of pixels.
また、この第1の側面において、所定の電源電圧を低下させてリセット電圧として上記垂直リセット入力線に供給するリセット電圧供給トランジスタをさらに具備してもよい。これにより、電源電圧より低いリセット電圧が供給されるという作用をもたらす。 Further, on the first aspect thereof, a reset voltage supply transistor that lowers a predetermined power supply voltage and supplies the reset voltage to the vertical reset input line may be further provided. This has the effect of supplying a reset voltage lower than the power supply voltage.
また、この第1の側面において、上記垂直リセット入力線の単位長さ当たりの上記配線抵抗は、上記垂直信号線の単位長さ当たりの上記配線抵抗よりも大きくてもよい。これにより、消費電力が削減されるという作用をもたらす。 Further, in the first aspect, the wiring resistance per unit length of the vertical reset input line may be larger than the wiring resistance per unit length of the vertical signal line. This has the effect of reducing power consumption.
また、この第1の側面において、上記垂直リセット入力線の電圧を増幅して上記一対のリセットトランジスタのそれぞれに供給するバッファをさらに具備してもよい。これにより、画素の駆動力が増大するという作用をもたらす。 Further, on this first aspect, a buffer that amplifies the voltage of the vertical reset input line and supplies it to each of the pair of reset transistors may be further provided. This has the effect of increasing the driving force of the pixels.
また、この第1の側面において、上記垂直信号線の配線抵抗による電圧降下量を測定して測定値を供給する電圧降下測定部と、上記測定値に応じたバイアス電圧を生成して上記リセット電圧供給トランジスタのゲートに供給するバイアス電圧生成部とをさらに具備してもよい。これにより、電圧降下量に応じた適切なリセット電圧が供給されるという作用をもたらす。 Further, in the first aspect, the voltage drop measuring unit that measures the voltage drop amount due to the wiring resistance of the vertical signal line and supplies the measured value, and the reset voltage that generates the bias voltage corresponding to the measured value. It may further include a bias voltage generator that supplies the gate of the supply transistor. This has the effect of supplying an appropriate reset voltage according to the amount of voltage drop.
また、この第1の側面において、差動モードが設定された場合には上記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に上記一対の光電変換素子の一方から上記一対の浮遊拡散層の一方へ上記電荷を転送させる制御と上記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に上記一対の光電変換素子の他方から上記一対の浮遊拡散層の他方へ電荷を転送させる制御とを順に行う垂直駆動部をさらに具備してもよい。これにより、差動モードにおいて一対の画素のそれぞれの信号を差動増幅した画素信号が読み出されるという作用をもたらす。 Further, in the first aspect, when the differential mode is set, after initializing the pair of floating diffusion layers, one of the pair of photoelectric conversion elements is transferred to one of the pair of floating diffusion layers. Further, a vertical drive unit that controls the transfer of electric charges and controls the transfer of electric charges from the other of the pair of photoelectric conversion elements to the other of the pair of floating diffusion layers after initializing the pair of floating diffusion layers. It may be provided. As a result, in the differential mode, the pixel signal obtained by differentially amplifying each signal of the pair of pixels is read out.
また、この第1の側面において、上記垂直駆動部は、ソースフォロワモードが設定された場合には上記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に上記一対の光電変換素子のそれぞれから上記一対の浮遊拡散層へ上記電荷を転送させる制御を行ってもよい。これにより、ソースフォロワモードにおいて、差動増幅せずに画素信号が読み出されるという作用をもたらす。 Further, in the first aspect, the vertical drive unit initializes the pair of floating diffusion layers when the source follower mode is set, and then receives the pair of floating diffusion elements from each of the pair of photoelectric conversion elements. Control may be performed to transfer the charge to the diffusion layer. As a result, in the source follower mode, the pixel signal is read out without differential amplification.
また、本技術の第2の側面は、所定のリセット電圧のノードに接続された垂直リセット入力線に所定の負荷電流を供給する負荷電流源と、上記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、一対の光電変換素子の一方から上記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して上記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、上記参照電圧と上記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、上記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路と、上記画素信号を処理する信号処理部とを具備する撮像装置である。これにより、垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じて上昇した電荷電圧変換効率により変換された電圧の画素信号が処理されるという作用をもたらす。 Further, the second aspect of the present technology is a load current source that supplies a predetermined load current to a vertical reset input line connected to a node having a predetermined reset voltage, and a voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line. A pair of reset transistors that initialize the pair of floating diffusion layers with a reference voltage according to the voltage, and a charge transferred from one of the pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers according to the amount of the charge. A transfer transistor that generates a voltage as a signal voltage, a pair of amplification transistors that generate an output current corresponding to the difference between the reference voltage and the signal voltage, and a pixel signal having a voltage corresponding to the output current are generated from a vertical signal line. It is an image pickup apparatus including a current mirror circuit for output and a signal processing unit for processing the pixel signal. This has the effect of processing the pixel signal of the voltage converted by the charge-voltage conversion efficiency that has increased according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.第1の実施の形態(垂直リセット入力線の配線抵抗により電圧降下させる例)
2.第2の実施の形態(垂直信号線より配線抵抗の大きな垂直リセット入力線の配線抵抗により電圧降下させる例)
3.第3の実施の形態(トランジスタを削減し、垂直リセット入力線の配線抵抗により電圧降下させる例)
4.第4の実施の形態(バッファを設け、垂直リセット入力線の配線抵抗により電圧降下させる例)
5.第5の実施の形態(垂直信号線の電圧降下量を測定し、垂直リセット入力線の配線抵抗により電圧降下させる例)
6.移動体への応用例
Hereinafter, embodiments for carrying out the present technology (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The explanation will be given in the following order.
1. 1. First Embodiment (Example of voltage drop due to wiring resistance of vertical reset input line)
2. 2. Second embodiment (example of voltage drop due to wiring resistance of a vertical reset input line having a wiring resistance larger than that of a vertical signal line)
3. 3. Third embodiment (example of reducing the number of transistors and lowering the voltage by the wiring resistance of the vertical reset input line)
4. Fourth Embodiment (Example of providing a buffer and lowering the voltage by the wiring resistance of the vertical reset input line)
5. Fifth Embodiment (Example of measuring the voltage drop amount of the vertical signal line and dropping the voltage by the wiring resistance of the vertical reset input line)
6. Application example to moving body
<1.第1の実施の形態>
[撮像装置の構成例]
図1は、本技術の第1の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置100は、画像データを撮像するための装置であり、光学部110、固体撮像素子200およびデジタルシグナルプロセッサ120を備える。さらに撮像装置100は、表示部130、操作部140、バス150、電源部160、記憶部170およびフレームメモリ180を備える。撮像装置100としては、例えば、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラの他、撮像機能を持つスマートフォンやパーソナルコンピュータ、車載カメラ等が想定される。
<1. First Embodiment>
[Configuration example of imaging device]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the
光学部110は、被写体からの光を集光して固体撮像素子200に導くものである。固体撮像素子200は、垂直同期信号VSYNCに同期して画像データを生成するものである。ここで、垂直同期信号VSYNCは、撮像のタイミングを示す所定周波数(例えば、30ヘルツ)の周期信号である。固体撮像素子200は、生成した画像データをデジタルシグナルプロセッサ120に信号線209を介して供給する。
The
デジタルシグナルプロセッサ120は、固体撮像素子200からの画像データに対し、デモザイク処理やノイズ低減処理などの所定の信号処理を実行するものである。このデジタルシグナルプロセッサ120は、処理後の画像データをバス150を介してフレームメモリ180などに出力する。また、デジタルシグナルプロセッサ120は、差動モードおよびSFモードのいずれかを指示するモード信号と垂直同期信号VSYNCとを生成して固体撮像素子200に供給する。
The
ここで、差動モードは、一対の画素のそれぞれの信号の差分を増幅(差動増幅)した信号を固体撮像素子200が生成するモードである。一方、SFモードは、ソースフォロワ回路を形成して画素信号を差動増幅せずに出力するモードである。差動モードでは、画像信号に対するゲインを大きくして変換効率を大幅に大きくすることができるが、動作点が狭く、ダイナミックレンジの拡大が困難である。このため、差動モードは暗所での撮像に適しており、SFモードは明所での撮像に適している。そこで、デジタルシグナルプロセッサ120は、例えば、環境光の光量を測光して測光量が所定の閾値より小さい場合に差動モードを指示し、測光量が閾値以上の場合にSFモードを指示する。
Here, the differential mode is a mode in which the solid-
表示部130は、画像データを表示するものである。表示部130としては、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネルが想定される。操作部140は、ユーザの操作に従って操作信号を生成するものである。
The
バス150は、光学部110、固体撮像素子200、デジタルシグナルプロセッサ120、表示部130、操作部140、電源部160、記憶部170およびフレームメモリ180が互いにデータをやりとりするための共通の経路である。
The
電源部160は、固体撮像素子200、デジタルシグナルプロセッサ120や表示部130などに電源を供給するものである。記憶部170は、画像データなどの様々なデータを記憶するものである。フレームメモリ180は、画像データを保持するものである。
The
[固体撮像素子の構成例]
図2は、本技術の第1の実施の形態における固体撮像素子200の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子200は、垂直駆動部210、画素アレイ部220、システム制御部291、カラム読出し回路300、カラム信号処理部270、水平駆動部292、データ格納部293および画像処理部294を備える。
[Structure example of solid-state image sensor]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the solid-
システム制御部291は、垂直駆動部210、カラム読出し回路300およびカラム信号処理部270および水平駆動部292を制御するものである。このシステム制御部291は、タイミングジェネレータなどにより構成される。システム制御部291は、垂直同期信号VSYNCに同期して垂直駆動部210、カラム信号処理部270および水平駆動部292のそれぞれの動作タイミングを指示するタイミング信号を生成し、対応する回路に供給する。また、システム制御部291は、カラム読出し回路300内のスイッチを制御する制御信号を生成してカラム読出し回路300に供給する。
The
画素アレイ部220内には、二次元格子状に複数の画素が配列される。以下、所定方向(水平方向など)に配列された画素の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素の集合を「列」と称する。また、画素アレイ部220内の行数をM(Mは整数)とし、列数をN(Nは整数)とする。
A plurality of pixels are arranged in a two-dimensional grid pattern in the
ここで、画素アレイ部220内の画素の全ては、光電変換を行う有効画素であるものとする。なお、有効画素に加えて、光電変換を行わないダミー画素や、入射光を遮断した遮光画素を画素アレイ部220内にさらに配置することもできる。
Here, it is assumed that all the pixels in the
垂直駆動部210は、行を順に選択して駆動するものである。この垂直駆動部210は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどにより構成される。差動モードにおいて垂直駆動部210は、1行ずつ順に選択し、行を選択するたびに、その行内の奇数列と偶数列とを順に駆動する。一方、SFモードにおいて垂直駆動部210は、行を順に選択し、選択した行内の全画素を同時に駆動する。このため、SFモードでは、M回の読出しにより1枚の画像データが生成され、差動モードでは、2×M回の読出しにより1枚の画像データが生成される。このように、行単位で駆動する制御方式は、ローリングシャッター方式と呼ばれる。なお、垂直駆動部210は、ローリングシャッター方式を用いているが、全画素を同時に駆動するグローバルシャッター方式を用いることもできる。
The
カラム読出し回路300は、行内のそれぞれの画素の画素信号を読み出してカラム信号処理部270に供給するものである。
The
カラム信号処理部270は、列ごとに、その列からの画素信号に対して、AD(Analog to Digital)変換処理などの信号処理を実行するものである。このカラム信号処理部270は、信号処理後の画素データのそれぞれを水平駆動部292の制御に従って順に画像処理部294に出力する。なお、カラム信号処理部270は、特許請求の範囲に記載の信号処理部の一例である。
The column
水平駆動部292は、カラム信号処理部270を制御して画素データを順に出力させるものである。この水平駆動部292は、シフトレジスタやアドレスデコーダにより構成される。
The
画像処理部294は、二次元格子状に配列された画素データからなる画像データに対して、画素加算処理などの各種の画像処理を実行するものである。この画像処理部294は、画像処理において必要に応じてデータ格納部293に画像データを一時的に保持させる。また、画像処理部294は、処理後の画像データをデジタルシグナルプロセッサ120に供給する。
The
なお、画像処理部294を固体撮像素子200の外部(デジタルシグナルプロセッサ120内など)に配置する構成であってもよい。
The
[カラム読出し回路の構成例]
図3は、本技術の第1の実施の形態におけるカラム読出し回路300の一構成例を示すブロック図である。このカラム読出し回路300は、2列ごとに単位読み出し回路310を備える。列数がNの場合、N/2個の単位読出し回路310が配置される。
[Configuration example of column readout circuit]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the
単位読出し回路310のそれぞれは、6本の信号線を介して画素アレイ部220に接続される。また、単位読出し回路310は、対応する2列のそれぞれの画素信号Vout1およびVout2をカラム信号処理部270へ供給する。
Each of the
[単位読出し回路の構成例]
図4は、本技術の第1の実施の形態における単位読出し回路310の一構成例を示す回路図である。この単位読出し回路310は、pMOS(p-channel Metal Oxide Semiconductor)311乃至314と、テール電流源321および322と、負荷電流源323および324と、スイッチ331乃至347とを備える。
[Unit read circuit configuration example]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the
また、単位読出し回路310は、垂直信号線22Sおよび22Rと、垂直リセット入力線61Sおよび61Rと、垂直電流供給線62Sおよび62Rとを介して対応する2列と接続される。
Further, the
pMOSトランジスタ311乃至314は、電源電圧VDDのノードに並列に接続される。pMOSトランジスタ311のゲートは、pMOSトランジスタ312のゲートと接続される。また、pMOSトランジスタ311のドレインからは、画素信号Vout1が出力され、pMOSトランジスタ312のドレインからは画素信号Vout2が出力される。
The
また、pMOSトランジスタ313および314のそれぞれにおいて、ゲートおよびドレインは短絡される。このダイオード接続により、pMOSトランジスタ313および314のドレインからは、電源電圧VDDを所定電圧だけ低下させた電圧がリセット電圧Vrstとして供給される。なお、pMOSトランジスタ313および314は、特許請求の範囲に記載のリセット電圧供給トランジスタの一例である。
Also, in each of the
テール電流源321および322は、単位読出し回路310に垂直電流供給線62Sおよび62Rを介して一定のテール電流を供給するものである。負荷電流源323は、スイッチ346を介して垂直リセット入力線61Sに所定の負荷電流を供給するものである。負荷電流源324は、スイッチ347を介して垂直リセット入力線61Rに所定の負荷電流を供給するものである。
The tail
スイッチ331は、システム制御部291からの制御信号SW11に従ってpMOSトランジスタ311のゲートおよびドレインの間の経路を開閉するものである。スイッチ332は、システム制御部291からの制御信号SW21に従ってpMOSトランジスタ312のゲートおよびドレインの間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ333は、システム制御部291からの制御信号SW13に従って、垂直電流供給線62Sとテール電流源321との間の経路を開閉するものである。スイッチ334は、システム制御部291からの制御信号SW0に従って、垂直電流供給線62Rとテール電流源321との間の経路を開閉するものである。スイッチ335は、システム制御部291からの制御信号SW23に従って、垂直電流供給線62Rとテール電流源322との間の経路を開閉するものである。
The switch 333 opens and closes the path between the vertical
スイッチ336は、システム制御部291からの制御信号SW12に従って、垂直電流供給線62Sと電源電圧VDDのノードとの間の経路を開閉するものである。スイッチ337は、システム制御部291からの制御信号SW14に従って、垂直信号線22Sとテール電流源321との間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ338は、システム制御部291からの制御信号SW22に従って、垂直電流供給線62Rと電源電圧VDDのノードとの間の経路を開閉するものである。スイッチ339は、システム制御部291からの制御信号SW24に従って、垂直信号線22Rとテール電流源322との間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ340は、システム制御部291からの制御信号SW16に従って、pMOSトランジスタ313のドレイン(すなわち、リセット電圧Vrstのノード)と垂直リセット入力線61Sとの間の経路を開閉するものである。スイッチ341は、システム制御部291からの制御信号SW17に従って、電源電圧VDDのノードと垂直リセット入力線61Sとの間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ342は、システム制御部291からの制御信号SW26に従って、pMOSトランジスタ314のドレイン(すなわち、リセット電圧Vrstのノード)と垂直リセット入力線61Rとの間の経路を開閉するものである。スイッチ343は、システム制御部291からの制御信号SW27に従って、電源電圧VDDのノードと垂直リセット入力線61Rとの間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ344は、システム制御部291からの制御信号SW15に従って、垂直信号線22Sと垂直リセット入力線61Sとの間の経路を開閉するものである。スイッチ346は、システム制御部291からの制御信号SW25に従って、垂直信号線22Rと垂直リセット入力線61Rとの間の経路を開閉するものである。
The
スイッチ346は、システム制御部291からの制御信号SW18に従って、垂直リセット入力線61Sと負荷電流源323との間の経路を開閉するものである。スイッチ347は、システム制御部291からの制御信号SW28に従って、垂直リセット入力線61Rと負荷電流源324との間の経路を開閉するものである。
The
上述のスイッチ331乃至347のそれぞれの制御タイミングについては後述する。
The control timing of each of the
なお、2列ごとに負荷電流源323および324を配置(言い換えれば、列ごとに負荷電流源を配置)しているが、複数の列(2列や全列)で1つの負荷電流源を共有することもできる。これにより、列ごとに負荷電流源を配置する場合と比較して、負荷電流源の個数や消費電力を削減することができる。
Although the load
[画素の構成例]
図5は、本技術の第1の実施の形態における画素230および240の一構成例を示す回路図である。画素230は、奇数列に配置され、画素240は、偶数列に配置される。
[Pixel configuration example]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of
画素230は、光電変換素子231、転送トランジスタ232、リセットトランジスタ233、浮遊拡散層234、選択トランジスタ235および増幅トランジスタ236を備える。画素240は、光電変換素子241、転送トランジスタ242、リセットトランジスタ243、浮遊拡散層244、選択トランジスタ245および増幅トランジスタ246を備える。
The
光電変換素子231は、光電変換により電荷を生成するものである。転送トランジスタ232は、垂直駆動部210からの転送信号TRG1に従って、光電変換素子231から浮遊拡散層234へ電荷を転送するものである。
The
リセットトランジスタ233は、垂直駆動部210からのリセット信号RST1に従って、垂直リセット入力線61Sに浮遊拡散層234を接続し、浮遊拡散層234から電荷を引き抜いて、その電圧を初期化するものである。垂直リセット入力線61Sとそれぞれの行のリセットトランジスタ233との接続ノードは、垂直方向において一定間隔で配置される。
The
浮遊拡散層234は、転送された電荷を蓄積し、その電荷の量に応じた電圧を生成するものである。増幅トランジスタ236は、浮遊拡散層234の電圧に応じた出力電流を生成するものである。また、増幅トランジスタ236のソースは、垂直電流供給線62Sに接続される。選択トランジスタ235は、選択信号SEL1に従って、増幅トランジスタ236の出力電流を垂直信号線22Sへ出力するものである。垂直電流供給線62Sとそれぞれの行の選択トランジスタ235との接続ノードは、垂直方向において一定間隔で配置される。
The floating
画素240内の光電変換素子241、転送トランジスタ242、リセットトランジスタ243、浮遊拡散層244、選択トランジスタ245および増幅トランジスタ246の接続構成は、画素230と同様である。ただし、転送トランジスタ242は、転送信号TRS2に従って電荷を転送し、リセットトランジスタ243は、リセット信号RST2に従って、垂直リセット入力線61Rに浮遊拡散層244を接続する。また、増幅トランジスタ246のソースは、垂直電流供給線62Rに接続され、選択トランジスタ245は、選択信号SEL2に従って電流を垂直信号線22Rへ出力する。
The connection configuration of the
差動モードにおいてカラム読出し回路300は、行内の画素230および240の一方を参照画素とし、他方を読出画素として読出画素の画素信号を読み出す。ここで、読出画素は、露光量に応じた信号電圧を生成する画素であり、参照画素は、所定の参照電圧を生成する画素である。
In the differential mode, the
また、差動モードにおいて固体撮像素子200内のカラム読出し回路300と、画素230および240とは、参照電圧と信号電圧との差分を増幅する差動増幅回路を構成する。カラム読出し回路300は、差動増幅した信号を読出画素の画素信号として読み出し、カラム信号処理部270に供給する。続いてカラム読出し回路300は、参照画素と読出画素とを入れ替え、差動増幅した信号を読出画素の画素信号として読み出してカラム信号処理部270に供給する。
Further, in the differential mode, the
固体撮像素子200は、読み出す対象の行を変更し、全行の読出しが完了するまで上述の処理を繰り返す。このように行ごとに読出しが2回行われる。行数をM(Mは、整数)とすると、2×M回の読出しが行われる。
The solid-
[カラム信号処理部の構成例]
図6は、本技術の第1の実施の形態におけるカラム信号処理部270の一構成例を示すブロック図である。このカラム信号処理部270は、複数のADC(Analog to Digital Converter)271と、出力部280とを備える。ADC271は、列ごとに配置される。
[Configuration example of column signal processing unit]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the column
ADC271は、アナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するものである。このADC271は、比較器272およびカウンタ273を備える。奇数列目のADC271には、画素信号Vout1が入力され、偶数列目のADC271には画素信号Vout2が入力される。
The
比較器272は、対応する列の画素信号と、のこぎり波状のランプ信号REFとを比較するものである。この比較器272は、比較結果をカウンタ273に供給する。カウンタ273は、比較結果が反転するまでの期間に亘って、計数値を計数するものである。このカウンタ273は、計数値を示すデータをデジタルの画素データとして出力部280に供給する。
The
ここで、露光終了の直前において、リセット信号RST1およびRST2の供給により生成される画素信号のレベルを「リセットレベル」と称する。また、露光終了の際に転送信号TRG1またはTRG2の供給により生成される画素信号のレベルを「信号レベル」と称する。 Here, the level of the pixel signal generated by the supply of the reset signals RST1 and RST2 immediately before the end of exposure is referred to as "reset level". Further, the level of the pixel signal generated by the supply of the transfer signal TRG1 or TRG2 at the end of exposure is referred to as "signal level".
カウンタ273は、例えば、リセットレベルの変換時に、計数値のアップカウントおよびダウンカウントの一方を行い、信号レベルの変換時にアップカウントおよびダウンカウントの他方を行う。これにより、AD(Analog to Digital)変換とともに、リセットレベルと信号レベルとの差分を求めるCDS(Correlated Double Sampling)処理が実行される。
The
なお、カウンタ273が、アップカウントおよびダウンカウントのいずれかのみを行い、CDS処理を後段の回路が実行する構成とすることもできる。
It should be noted that the
出力部280は、列ごとの画素データを水平駆動部292の制御に従って、順に画像処理部294へ出力するものである。
The
差動モードにおいては、奇数列の画素信号Vout1と偶数列の画素信号Vout2とが順に生成されるため、奇数列のADC271と、偶数列のADC271とは、対応する画素信号を順にAD変換する。一方、SFモードにおいては、奇数列の画素信号Vout1と偶数列の画素信号Vout2とが同時に生成されるため、全列のADC271は、対応する画素信号を同時にAD変換する。 In the differential mode, the odd-numbered row pixel signal Vout1 and the even-numbered row pixel signal Vout2 are generated in order. Therefore, the odd-numbered row ADC271 and the even-numbered row ADC271 sequentially perform AD conversion of the corresponding pixel signals. On the other hand, in the SF mode, since the odd-numbered pixel signal Vout1 and the even-numbered pixel signal Vout2 are generated at the same time, the ADC271 in all rows simultaneously AD-converts the corresponding pixel signals.
[固体撮像素子の動作例]
図7は、本技術の第1の実施の形態における差動モードの固体撮像素子200の露光開始時の動作の一例を示すタイミングチャートである。タイミングT0において差動モードが設定されると、システム制御部291は、制御信号SW13および23をハイレベルにして、対応するスイッチ333および335を閉状態にする。
[Operation example of solid-state image sensor]
FIG. 7 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-
そして、奇数列の画素230の露光蓄積期間の開始のタイミングT1において、垂直駆動部210は、ハイレベルのリセット信号RST1および転送信号TRG1を所定のパルス期間に亘って供給する。また、システム制御部291は、タイミングT1において、ハイレベルの制御信号SW17をパルス期間に亘って供給し、対応するスイッチ341を閉状態にする。これらの制御により、画素230の浮遊拡散層234の電荷が排出される。
Then, at the start timing T1 of the exposure accumulation period of the
また、偶数列の画素240の露光蓄積期間の開始のタイミングT2において、垂直駆動部210は、ハイレベルのリセット信号RST2および転送信号TRG2を所定のパルス期間に亘って供給する。また、システム制御部291は、タイミングT2において、ハイレベルの制御信号SW27をパルス期間に亘って供給し、対応するスイッチ343を閉状態にする。これらの制御により、画素240の浮遊拡散層244の電荷が排出される。
Further, at the start timing T2 of the exposure accumulation period of the even-numbered
図8は、本技術の第1の実施の形態における差動モードの固体撮像素子200の露光終了時の動作の一例を示すタイミングチャートである。
FIG. 8 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-
読出しを開始するタイミングT3において、垂直駆動部210は、選択信号SEL1およびSEL2をハイレベルにする。また、タイミングT3においてシステム制御部291は、制御信号SW0、SW15、SW21、SW26およびSW28をハイレベルにして対応するスイッチ334、344、332、342および347を閉状態にする。これにより、画素230および240とカラム読出し回路300とは、画素230を読出画素とし、画素240を参照画素とする差動増幅回路を構成する。また、差動増幅回路において、垂直リセット入力線61Rに負荷電流源324からの負荷電流が供給される。
At the timing T3 at which the reading is started, the
そして、垂直駆動部210は、奇数列の露光蓄積期間の終了直前のタイミングT4において、パルス期間に亘ってハイレベルのリセット信号RST1およびRST2を供給する。これにより、読出画素(画素230)および参照画素(画素240)のそれぞれの浮遊拡散層から電荷が排出され、それらの電圧が所定の参照電圧に初期化される。これらの電圧の差分を増幅した画素信号Vout1のレベルは、リセットレベルとして読み出される。
Then, the
垂直駆動部210は、奇数列の露光蓄積期間の終了のタイミングT5において、パルス期間に亘ってハイレベルの転送信号TRG1を供給する。これにより、読出画素である画素230の光電変換素子231から浮遊拡散層234へ電荷が転送され、浮遊拡散層234により電荷の量に応じた電圧が信号電圧として生成される。参照画素の参照電圧と、読出画素の信号電圧との差分を増幅した画素信号Vout1のレベルは、信号レベルとして読み出される。
The
画素信号Vout1の読出しが完了したタイミングT6において、システム制御部291は、制御信号SW15、SW21、SW26およびSW28をローレベルにする。そして、その直後のタイミングT7においてシステム制御部291は、制御信号SW11、SW16、SW18およびSW25をハイレベルにして対応するスイッチ331、340、346および345を閉状態にする。これにより、画素230および240とカラム読出し回路300とは、画素240を読出画素とし、画素230を参照画素とする差動増幅回路を構成する。言い換えれば、読出画素と参照画素との入れ替えが行われる。また、差動増幅回路において、垂直リセット入力線61Sに負荷電流源323からの負荷電流が供給される。
At the timing T6 when the reading of the pixel signal Vout1 is completed, the
そして、垂直駆動部210は、偶数列の露光蓄積期間の終了直前のタイミングT8において、パルス期間に亘ってハイレベルのリセット信号RST1およびRST2を供給する。これにより、読出画素(画素240)および参照画素(画素230)のそれぞれの浮遊拡散層から電荷が排出され、それらの電圧が所定の参照電圧に初期化される。これらの電圧の差分を増幅した画素信号Vout2のレベルは、リセットレベルとして読み出される。
Then, the
垂直駆動部210は、偶数列の露光蓄積期間の終了のタイミングT9において、パルス期間に亘ってハイレベルの転送信号TRG2を供給する。これにより、読出画素である画素240の光電変換素子241から浮遊拡散層244へ電荷が転送され、浮遊拡散層244により電荷の量に応じた電圧が信号電圧として生成される。参照画素の参照電圧と、読出画素の信号電圧との差分を増幅した画素信号Vout2のレベルは、信号レベルとして読み出される。
The
図7および図8に例示した制御は、差動モードにおいて行ごとに実行される。 The controls illustrated in FIGS. 7 and 8 are performed row by row in differential mode.
図9は、本技術の第1の実施の形態の変形例におけるSFモードの固体撮像素子200の露光開始時の動作の一例を示すタイミングチャートである。露光蓄積期間の開始のタイミングT1において、垂直駆動部210は、ハイレベルのリセット信号RST1およびRST2とハイレベルの転送信号TRG1およびTRG2とを所定のパルス期間に亘って供給する。また、システム制御部291は、ハイレベルの制御信号SW17およびSW27をパルス期間に亘って供給する。これにより、画素230および240のそれぞれの浮遊拡散層の電荷が排出される。同図において、タイミングT2乃至T3の期間の駆動は、画素230および240の読出しに寄与しない。
FIG. 9 is a timing chart showing an example of the operation of the SF mode solid-
図10は、本技術の第1の実施の形態におけるSFモードの固体撮像素子200の露光終了時の動作の一例を示すタイミングチャートである。
FIG. 10 is a timing chart showing an example of the operation of the SF mode solid-
読出しを開始するタイミングT3において、垂直駆動部210は、選択信号SEL1およびSEL2をハイレベルにする。また、タイミングT3においてシステム制御部291は、制御信号SW12、SW14、SW17、SW22、SW24およびSW27をハイレベルにして対応するスイッチ336、337、341、338、339および343を閉状態にする。これにより、画素230および240とカラム読出し回路300とは、列ごとにソースフォロワ回路を構成する。また、ソースフォロワ回路においては、垂直リセット入力線61Rおよび61Sに負荷電流が供給されない。
At the timing T3 at which the reading is started, the
そして、垂直駆動部210は、露光蓄積期間の終了直前のタイミングT4において、パルス期間に亘ってハイレベルのリセット信号RST1およびRST2を供給する。これにより、画素230および240のそれぞれの浮遊拡散層から電荷が排出され、それらの電圧が所定の参照電圧に初期化される。このときの画素信号Vout1およびVout2のそれぞれのレベルは、リセットレベルとして読み出される。
Then, the
垂直駆動部210は、露光蓄積期間の終了のタイミングT5において、パルス期間に亘ってハイレベルの転送信号TRG1およびTRG2を供給する。これにより、画素230および240において光電変換素子から浮遊拡散層へ電荷が転送され、電荷の量に応じた電圧が生成される。このときの画素信号Vout1およびVout2のレベルは、信号レベルとして読み出される。
The
また、タイミングT6において、垂直駆動部210は、選択信号SEL1およびSEL2をローレベルにし、システム制御部291は、制御信号SW12、SW14、SW17、SW22、SW24およびSW27をローレベルにする。同図において、タイミングT7乃至T8の期間の駆動は、画素230および240の読出しに寄与しない。
Further, at the timing T6, the
図9および図10に例示した制御は、SFモードにおいて行ごとに実行される。なお、固体撮像素子200は、差動モードおよびSFモードのいずれかにモードを切り替えているが、SFモードが設定されない構成とすることもできる。この場合には、単位読出し回路310においてモードの切り替えのために必要なスイッチが不要となる。この場合の単位読出し回路310は、例えば、特開2018−182496号公報の図16に記載の回路に、負荷電流源323および324と、スイッチ346および347とを追加した構成となる。
The controls illustrated in FIGS. 9 and 10 are performed row by row in SF mode. Although the solid-
図11は、本技術の第1の実施の形態における差動モードの画素および単位読出し回路310の等価回路の一例である。同図は、画素230を読出画素とし、画素240を参照画素とする場合の等価回路を示す。同図において、スイッチ331乃至347と、テール電流源322および負荷電流源323とは省略されている。また、垂直電流供給線62Rおよび62Sは、一本の垂直電流供給線62により表されている。
FIG. 11 is an example of an equivalent circuit of the pixel and
読出し側および参照側のリセットトランジスタ233および243は、露光終了の直前において、浮遊拡散層234および244の電圧をリセット電圧Vrstに応じた参照電圧によって初期化する。この参照電圧をVfdrとする。垂直リセット入力線61Rには負荷電流が供給されているため、垂直リセット入力線61Rにおいて配線抵抗による電圧降下が生じ、参照電圧Vfdrは、その電圧降下量に応じた値となる。
The
そして、読出し側の転送トランジスタ232は、露光終了時に読出し側の光電変換素子231から浮遊拡散層234に電荷を転送して、その電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる。この信号電圧をVfdsとする。
Then, the
一対の増幅トランジスタ236および246は、参照電圧Vfdrと信号電圧Vfdsとの差分に応じた出力電流Ioutを生成する。pMOSトランジスタ311および312からなるカレントミラー回路は、その出力電流Ioutに応じた電圧の画素信号Voutを読出し側の垂直信号線22Sから出力する。
The pair of
上述の構成において画素230および240と、単位読出し回路310とからなる差動増幅回路の電荷電圧変換効率ηは、例えば、次の式により表される。
η=e−/(−Cfd/Av+Cgd) ・・・式1
上式において、e−は、信号電荷を示す。Avは、差動増幅回路のオープンループゲインを示す。Cgdは、増幅トランジスタ236のゲート−ドレイン間のオーバーラップ容量である。Cfdは、浮遊拡散層の容量を示す。これらの容量の単位は、例えば、マイクロファラッド(μF)である。
In the above configuration, the charge-voltage conversion efficiency η of the differential amplifier circuit including the
η = e − / (−C fd / Av + C gd ) ・ ・ ・
In the above equation, e − indicates the signal charge. Av indicates the open loop gain of the differential amplifier circuit. C gd is the overlap capacitance between the gate and drain of the
式1のオープンループゲインAvは、次の式により表される。
Av=gm・Routamp・RoutpMOS
/(Routamp+RoutpMOS) ・・・式2
上式において、gmは、増幅トランジスタ236の相互コンダクタンスを示し、単位は、例えば、ジーメンス(S)である。Routampは、増幅トランジスタ236の出力抵抗を示し、単位は例えば、オーム(Ω)である。RoutpMOSは、pMOSトランジスタ311の出力抵抗を示し、単位は例えば、オーム(Ω)である。
The open loop gain Av of
Av = gm ・ Rout amp・ Rout pMOS
/ (Rout amp + Rout pMOS ) ・ ・ ・ Equation 2
In the above equation, gm represents the transconductance of the
FD拡散容量およびFD配線容量や、増幅トランジスタ236、転送トランジスタ232およびリセットトランジスタ233のそれぞれのゲート容量の総和であるCfdと比較すると、オーバーラップ容量Cgdは小さい。さらに、式1よりCfdは、オープンループゲインAvにより割り戻されるため、実効的な容量が小さくなり、高い電荷電圧変換効率ηを実現することができる。
The overlap capacitance C gd is smaller than the FD diffusion capacitance and the FD wiring capacitance, and C fd , which is the sum of the gate capacitances of the
行ごとの画素230および240は、差動対を形成しており、読み出し時には垂直方向において1行目からM行目までが順に読み出される。このとき、カレントミラー回路からの距離が行ごとに異なり、カレントミラー回路に近い行では、垂直信号線22Sの配線抵抗が小さく、遠い行では配線抵抗が大きくなる。このため、読出し側の増幅トランジスタ236の動作点は、垂直方向において一様に定まらず、面内差を持ったまま、整定することになる。
The
差動増幅回路の変換効率を決定する上で重要な相互コンダクタンスgm、出力抵抗Routamp、オーバーラップ容量Cgdは、バイアス依存性があることに加え、垂直信号線22Sは、出力電流Ioutを流している。このため、金属配線抵抗により、必ず電圧降下が起きる。この電圧降下により、増幅トランジスタ236のドレインの電圧が降下し、そのドレイン−ソース間電圧Vdsampが減少する。
The transconductance gm, output resistance Rout amp , and overlap capacitance C gd, which are important in determining the conversion efficiency of the differential amplifier circuit, are bias-dependent, and the
ここで、負荷電流源323および324を配置しない比較例を想定する。この比較例では、ドレイン−ソース間電圧Vdsampの減少により、出力抵抗Routampが小さくなる。出力抵抗Routampが小さくなると、式2よりオープンループゲインAvが減少する。
Here, a comparative example in which the load
また、信号電圧Vfdsは、露光量が多いほど低くなるため、増幅トランジスタ236のゲート−ドレイン間電圧Vgdが増大する。このゲート−ドレイン間電圧Vgdの増大により、オーバーラップ容量Cgdが増大する。
Further, since the signal voltage V fds becomes lower as the exposure amount increases, the gate-drain voltage Vgd of the
上述のオープンループゲインAvの減少と、オーバーラップ容量Cgdの増大とが原因となり、式1より、比較例では、カレントミラー回路から遠い行ほど、電荷電圧変換効率ηが低下する。よって、比較例では、カレントミラー回路からの距離に応じて、電荷電圧変換効率ηの面内差が生じ、明るい撮像場所においては、画素信号の差となり、シェーディングとして観測される。
Due to the decrease in the open loop gain Av and the increase in the overlap capacitance C gd described above, from
これに対して、負荷電流源323および324を配置した構成では、それらの電流源が負荷電流Iloadを垂直リセット入力線61Rおよび61Sに供給する。この負荷電流Iloadの供給より、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直リセット入力線61Rおよび61Sの配線抵抗による電圧降下量が増大する。この電圧降下により、カレントミラー回路から遠い行ほど、浮遊拡散層の初期化時の電圧(参照電圧Vfdr)が低下する。この参照電圧Vfdrの低下により、信号電圧Vfdsとの差分が増大し、出力電流Ioutが増大する。この出力電流Ioutの増大により、pMOSトランジスタ311のドレイン電圧が低下し、そのドレイン−ソース間電圧VdspMOSが大きくなる。このドレイン−ソース間電圧VdspMOSの増大により、出力抵抗RoutpMOSが大きくなる。出力抵抗RoutpMOSが大きくなると、式2より、その分オープンループゲインAvが増大して電荷電圧変換効率ηが上昇する。
On the other hand, in the configuration in which the load
まとめると、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直信号線22Sの配線抵抗による電圧降下量が大きくなり、その電圧降下に起因して増幅トランジスタ236の出力抵抗Routampが減少する。一方、負荷電流Iloadの供給により、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗による電圧降下量が大きくなり、その電圧降下に起因してpMOSトランジスタ311の出力抵抗RoutpMOSが増大する。式1および式2に例示するように、出力抵抗Routampの減少により電荷電圧変換効率ηが低下し、出力抵抗RoutpMOSの増大により電荷電圧変換効率ηが上昇する。また、オーバーラップ容量Cgdの増大により、電荷電圧変換効率ηが低下する。
In summary, the farther the line is from the current mirror circuit, the larger the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the
このため、出力抵抗Routampの減少とオーバーラップ容量Cgdの増大とによる電荷電圧変換効率ηの低下分を、出力抵抗RoutpMOSの増大による電荷電圧変換効率ηの上昇により相殺することができる。これにより、相互コンダクタンスgm、出力抵抗Routampおよびオーバーラップ容量Cgdのバランスの調整をとることによって電荷電圧変換効率ηの面内差を抑制することが可能となる。この結果、シェーディングを抑制して画像データの画質を向上させることができる。 Therefore, the decrease in the charge-voltage conversion efficiency η due to the decrease in the output resistance Rout amp and the increase in the overlap capacitance C gd can be offset by the increase in the charge-voltage conversion efficiency η due to the increase in the output resistance Rout pMOS . As a result, it is possible to suppress the in-plane difference in the charge-voltage conversion efficiency η by adjusting the balance between the transconductance gm, the output resistance Rout amp, and the overlap capacitance C gd . As a result, shading can be suppressed and the image quality of the image data can be improved.
垂直リセット入力線61Rの単位長さ当たりの配線抵抗をRvpxとし、垂直信号線22Sの単位長さ当たりの配線抵抗をRvslとし、それらの配線抵抗は、例えば、略同一の値に設定される。ここで、「略同一」は、2つの値が完全一致すること、または、それらの差が所定の許容値以内であることを意味する。また、単位長さは、垂直リセット入力線61Rにおいて、隣接する2行の一方が接続されるノードと、他方が接続されるノードとの間の長さに該当する。
The wiring resistance per unit length of the vertical
なお、オーバーラップ容量Cgdが増大した分、出力抵抗RoutpMOSの増大によりオープンループゲインAvを上昇させれば、電荷電圧変換効率ηの面内差を改善することができる。このため、必ずしも、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗による電圧降下と、垂直信号線22Sの配線抵抗による電圧降下とを同等に調整する必要は無い。
If the open loop gain Av is increased by increasing the output resistance Route pMOS by the amount that the overlap capacitance C gd is increased, the in-plane difference in the charge-voltage conversion efficiency η can be improved. Therefore, it is not always necessary to adjust the voltage drop due to the wiring resistance of the vertical
また、固体撮像素子200は、水平方向において隣接する一対の画素のそれぞれの信号の差分を増幅しているが、この構成に限定されず、垂直方向において隣接する一対の画素のそれぞれの信号の差分を増幅することもできる。この場合には、例えば、列ごとに単位読出し回路300が配置され、奇数行の画素と偶数行の画素との一方が参照画素、他方が読出画素として差動増幅が行われる。
Further, the solid-
図12は、本技術の第1の実施の形態と比較例とにおける行ごとの電荷電圧変換効率の一例を示すグラフである。同図におけるaは、負荷電流源323および324を設けない比較例における行ごとの電荷電圧変換効率の一例を示すグラフである。同図におけるbは、負荷電流源323および324を設けた第1の実施の形態における行ごとの電荷電圧変換効率の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、電荷電圧変換効率を示し、横軸は、垂直方向の画素数を示す。垂直方向の画素数が多いほど、カレントミラー回路からの距離が長いものとする。
FIG. 12 is a graph showing an example of the charge-voltage conversion efficiency for each row in the first embodiment of the present technology and the comparative example. In the figure, a is a graph showing an example of charge-voltage conversion efficiency for each row in a comparative example in which the load
同図におけるaに例示するように、負荷電流源323および324を設けない比較例では、垂直方向の画素数が多いほど(すなわち、カレントミラー回路から遠い行ほど)、電荷電圧変換効率が低下する。これは、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直信号線22Sの配線抵抗による電圧降下量が大きくなり、その電圧降下に起因して増幅トランジスタ236の出力抵抗Routampが減少するためである。
As illustrated in a in the figure, in the comparative example in which the load
一方、同図におけるbに例示するように、負荷電流源323および324を設けた場合、垂直方向の画素数が多いほど(すなわち、カレントミラー回路から遠い行ほど)、電荷電圧変換効率が低下するものの、その低下量は比較例よりも小さい。これは、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗による電圧降下量が大きくなり、その電圧降下に起因してカレントミラー回路内のpMOSトランジスタ311の出力抵抗RoutpMOSが増大するためである。
On the other hand, when the load
図13は、比較例における飽和マージンを説明するための図である。負荷電流源323および324を設けない比較例では、pMOSトランジスタ311のドレイン−ソース間電圧VdspMOSは、読み出す行がカレントミラー回路から遠いほど増大し、最も遠い行で飽和する。ある行を読み出す際のドレイン−ソース間電圧VdspMOSをVdsat1とする。また、増幅トランジスタ236のドレイン−ソース間電圧Vdsampは、カレントミラー回路から遠いほど増大し、最も遠い行で飽和する。ある行のドレイン−ソース間電圧VdsampをVdsat2とする。
FIG. 13 is a diagram for explaining the saturation margin in the comparative example. In the comparative example in which the load
また、増幅トランジスタ236の閾値電圧をVthとすると、閾値電圧Vthと増幅トランジスタ236のゲート−ドレイン間電圧Vgdとの差分が飽和マージンとして設定される。一方、電源電圧VDDとコモン電圧VCOMとの間の電圧範囲において、ドレイン−ソース間電圧Vdsat1およびVdsat2や増幅トランジスタ236の飽和マージンを除いた残りの電圧が、pMOSトランジスタ311の飽和マージンとして設定される。
Further, assuming that the threshold voltage of the
図14は、本技術の第1の実施の形態における飽和マージンを説明するための図である。負荷電流源323および324を設けることにより、カレントミラー回路から遠い行ほど、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗による電圧降下量が増大する。この電圧降下により、pMOSトランジスタ311のドレイン−ソース間電圧VdspMOSが増大する。このドレイン−ソース間電圧VdspMOSの増大により、比較例と比較して、pMOSトランジスタ311の飽和マージンを大きくすることができる。
FIG. 14 is a diagram for explaining a saturation margin in the first embodiment of the present technology. By providing the load
図15は、本技術の第1の実施の形態における固体撮像素子200の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、例えば、画像データを撮像するための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
FIG. 15 is a flowchart showing an example of the operation of the solid-
固体撮像素子200は、行を選択し、その行の露光を開始し(ステップS901)、そして、露光蓄積期間の終了時に露光を終了する(ステップS902)。固体撮像素子200は、行から読み出した画素信号に対してCDS処理などの信号処理を行う(ステップS903)。
The solid-
固体撮像素子200は、差動モードが設定されているか否かを判断する(ステップS904)。差動モードが設定されている場合(ステップS904:Yes)、固体撮像素子200は、全列の読出しが完了したか否かを判断する(ステップS905)。全列の読出しが完了していない場合に(ステップS905:No)、固体撮像素子200は、読出画素と参照画素とを入れ替える(ステップS906)。
The solid-
SFモードが設定されている場合(ステップS904:No)、全列の読出しが完了した場合(ステップS905:Yes)、固体撮像素子200は、全行の読出しが完了したか否かを判断する(ステップS907)。全行の読出しが完了していない場合(ステップS907:No)、または、ステップS906の後に固体撮像素子200は、ステップS901以降の処理を繰り返し実行する。一方、全行の読出しが完了した場合(ステップS907:Yes)、固体撮像素子200は、画像データを撮像するための動作を終了する。
When the SF mode is set (step S904: No) and the reading of all columns is completed (step S905: Yes), the solid-
なお、垂直同期信号に同期して複数枚の画像データを撮像する場合には、垂直同期信号に同期してステップS901乃至S907が繰り返し実行される。 When a plurality of image data are captured in synchronization with the vertical synchronization signal, steps S901 to S907 are repeatedly executed in synchronization with the vertical synchronization signal.
このように、本技術の第1の実施の形態によれば、負荷電流源324が垂直リセット入力線61Rに負荷電流を供給するため、その信号線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって浮遊拡散層を初期化することができる。この垂直リセット入力線61Rの電圧降下により電荷電圧変換効率ηが上昇し、その上昇分によって、垂直信号線22Sの電圧低下による電荷電圧変換効率ηの低下分が相殺される。これにより、行ごとの電荷電圧変換効率の差を小さくしてシェーディングを抑制し、画像データの画質を向上させることができる。
As described above, according to the first embodiment of the present technology, since the load
<2.第2の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、垂直リセット入力線61Rの単位長さ当たりの配線抵抗をRvpxと垂直信号線22Sの単位長さ当たりの配線抵抗をRvslとを同一の値に設定していた。しかしながら、この構成では、垂直信号線22Sの電圧降下量が大きいほど、シェーディングの抑制に要する負荷電流Iloadが増大し、消費電力が大きくなってしまう。この第2の実施の形態の固体撮像素子200は、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗Rvpxを垂直信号線22Sの配線抵抗Rvslより大きくして、消費電力を削減した点において第1の実施の形態と異なる。
<2. Second Embodiment>
In the first embodiment described above, the wiring resistance per unit length of the vertical
図16は、本技術の第2の実施の形態における画素および単位読出し回路310の等価回路の一例である。この第2の実施の形態の垂直リセット入力線61Rの単位長さ当たりの配線抵抗Rvpxは、垂直信号線22Sの単位長さ当たりの配線抵抗Rvslより大きい。例えば、配線抵抗Rvpxは、配線抵抗Rvslの約S(Sは、1より大きな実数)倍に設定される。
FIG. 16 is an example of an equivalent circuit of the pixel and
また、配線抵抗Rvpxが配線抵抗Rvslと略同一とする際に必要な負荷電流をIloadとすると、第2の実施の形態の負荷電流源324は、Iloadの1/S倍の負荷電流を供給する。負荷電流源323についても同様である。このように、第1の実施の形態と比較して、第2の実施の形態では、必要な負荷電流が小さくて済むため、消費電力を削減することができる。
Further, assuming that the load current required when the wiring resistance R vpx is substantially the same as the wiring resistance R vsl is I load , the load
このように、本技術の第2の実施の形態によれば、垂直リセット入力線61Rの配線抵抗Rvpxを垂直信号線22Sの配線抵抗Rvslより大きくしたため、その分、シェーディングの抑制に必要な負荷電流を小さくすることができる。これにより、消費電力を削減することができる。
Thus, according to the second embodiment of the present technology, since the wiring resistance R vpx the vertical
<3.第3の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、2列ごとに配置したpMOSトランジスタ313および314がリセット電圧Vrstを生成していた。しかし、この構成では、列数が多くなるほど、配置するpMOSトランジスタ313および314の個数が多くなり、カラム読出し回路300の回路規模が増大してしまう。この第3の実施の形態の固体撮像素子200は、pMOSトランジスタ数を削減した点において第1の実施の形態と異なる。
<3. Third Embodiment>
In the first embodiment described above, the
図17は、本技術の第3の実施の形態における差動モードの画素および単位読出し回路310の等価回路の一例である。この第3の実施の形態の単位読出し回路310は、pMOSトランジスタ313および314が設けられない点において第1の実施の形態と異なる。垂直リセット入力線61Rは、pMOSトランジスタ314を介さずに、固定のバイアス電圧がリセット電圧Vrstとして印加されたノードに直接に接続される。垂直リセット入力線61Sについても同様である。リセット電圧Vrstは、例えば、カラム読出し回路300の外部の回路などにより供給される。
FIG. 17 is an example of an equivalent circuit of the pixel and
なお、第3の実施の形態の固体撮像素子200に第2の実施の形態を適用することもできる。
The second embodiment can also be applied to the solid-
このように、本技術の第3の実施の形態では、垂直リセット入力線61Rがリセット電圧Vrstのノードに直接に接続されるため、pMOSトランジスタ314が不要となる。これにより、pMOSトランジスタ数を少なくしてカラム読出し回路300の回路規模を削減することができる。
As described above, in the third embodiment of the present technology, the vertical
<4.第4の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、負荷電流源323および324が垂直リセット入力線61Rおよび61Sに負荷電流を供給して電圧降下させていたが、この構成では、カレントミラー回路から遠い行ほど、電圧降下量が大きくなり、参照電圧Vfdrが低下する。このため、参照電圧Vfdrが低すぎると、画素230や240の駆動力が不足するおそれがある。この第4の実施の形態の固体撮像素子200は、バッファにより駆動力の不足を補った点において第1の実施の形態と異なる。
<4. Fourth Embodiment>
In the first embodiment described above, the load
図18は、本技術の第4の実施の形態における差動モードの画素および単位読出し回路310の等価回路の一例である。この第4の実施の形態の画素アレイ部220は、行ごとに、バッファ251および252がさらに配置される点において第1の実施の形態と異なる。
FIG. 18 is an example of an equivalent circuit of the pixel and
バッファ251は、垂直リセット入力線61S上の行に対応するノードと、リセットトランジスタ233との間に挿入される。バッファ252は、垂直リセット入力線61R上の行に対応するノードと、リセットトランジスタ243との間に挿入される。バッファ251および252は、垂直リセット入力線61Rおよび61S上の接続されたノードの電圧を増幅して、リセットトランジスタ233および243のそれぞれに供給するものである。バッファ251および252の増幅により、参照電圧Vfdrを高くし、画素230や240の駆動力を向上させることができる。
The
なお、第4の実施の形態の固体撮像素子200に第2および第3の実施の形態のそれぞれを適用することもできる。
It should be noted that each of the second and third embodiments can be applied to the solid-
このように、本技術の第4の実施の形態によれば、バッファ251および252が、垂直リセット入力線61Rおよび61S上のノードの電圧を増幅するため、画素の駆動力を向上させることができる。
As described above, according to the fourth embodiment of the present technology, the
<5.第5の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、ダイオード接続したpMOSトランジスタ313および314がリセット電圧Vrstを供給していた。しかしながら、この構成では、垂直信号線の電圧降下量に応じた適切なリセット電圧Vrstが供給されないおそれがある。この第5の実施の形態の固体撮像素子200は、電圧降下量を測定し、その測定値に応じたリセット電圧Vrstを供給する点において第1の実施の形態と異なる。
<5. Fifth Embodiment>
In the first embodiment described above, the diode-connected
図19は、本技術の第5の実施の形態における単位読出し回路310の一構成例を示す回路図である。この第5の実施の形態の単位読出し回路310は、電圧降下測定部351およびバイアス電圧生成部352がさらに配置される点において第1の実施の形態と異なる。
FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration example of the
電圧降下測定部351は、垂直信号線22Rおよび22Sのそれぞれの電圧降下量を測定するものである。例えば、電圧降下測定部351は、垂直信号線22Rの上端および下端の間の電圧と垂直信号線22Sの上端および下端の間の電圧とのそれぞれを電圧降下量として測定し、それらの測定値の統計量(合計や平均)をバイアス電圧生成部352に供給する。
The voltage
なお、電圧降下測定部351は、垂直信号線22Rおよび22Sの両方の電圧降下量を測定しているが、垂直信号線22Rおよび22Sの一方の電圧降下量のみを測定することもできる。
Although the voltage
バイアス電圧生成部352は、測定値の統計量に応じたバイアス電圧を生成し、pMOSトランジスタ313および314のゲートに供給するものである。これにより、電圧降下量に応じた適切なリセット電圧Vrstが供給される。
The bias
なお、バイアス電圧生成部352は、垂直信号線22Rおよび22Sの両方の測定値の統計量に応じたバイアス電圧をpMOSトランジスタ313および314の両方に供給しているが、この構成に限定されない。バイアス電圧生成部352は、垂直信号線22Sの測定値に応じたバイアス電圧をpMOSトランジスタ313に供給し、垂直信号線22Rの測定値に応じたバイアス電圧をpMOSトランジスタ314に供給することもできる。
The bias
なお、第5の実施の形態の固体撮像素子200に、第2乃至第4の実施の形態のそれぞれを適用することもできる。
It should be noted that each of the second to fourth embodiments can be applied to the solid-
このように、本技術の第5の実施の形態によれば、バイアス電圧生成部352が電圧降下量の測定値に応じたバイアス電圧を生成するため、そのバイアス電圧により電圧降下量に応じた適切なリセット電圧Vrstを生成させることができる。
As described above, according to the fifth embodiment of the present technology, since the bias
<6.移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
<6. Application example to moving body>
The technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure is realized as a device mounted on a moving body of any kind such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility, an airplane, a drone, a ship, and a robot. You may.
図20は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 FIG. 20 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a moving body control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図20に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
The
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
The drive
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
The body
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
The vehicle exterior
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
The
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
The in-vehicle
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
The
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
Further, the
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
Further, the
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図20の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
The audio-
図21は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing an example of an installation position of the
図21では、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
In FIG. 21, the
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
The
なお、図21には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
Note that FIG. 21 shows an example of the photographing range of the
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
At least one of the
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
For example, the
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
For example, the
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
At least one of the
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031に適用され得る。具体的には、図1の撮像装置100は、撮像部12031に適用することができる。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、シェーディングを抑制して、より見やすい撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
The example of the vehicle control system to which the technique according to the present disclosure can be applied has been described above. The technique according to the present disclosure can be applied to the
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。 The above-described embodiment shows an example for embodying the present technology, and the matters in the embodiment and the matters specifying the invention in the claims have a corresponding relationship with each other. Similarly, the matters specifying the invention within the scope of claims and the matters in the embodiment of the present technology having the same name have a corresponding relationship with each other. However, the present technology is not limited to the embodiment, and can be embodied by applying various modifications to the embodiment without departing from the gist thereof.
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、CD(Compact Disc)、MD(MiniDisc)、DVD(Digital Versatile Disc)、メモリカード、ブルーレイディスク(Blu-ray(登録商標)Disc)等を用いることができる。 Further, the processing procedure described in the above-described embodiment may be regarded as a method having these series of procedures, and as a program for causing a computer to execute these series of procedures or as a recording medium for storing the program. You may catch it. As the recording medium, for example, a CD (Compact Disc), MD (MiniDisc), DVD (Digital Versatile Disc), memory card, Blu-ray Disc (Blu-ray (registered trademark) Disc) and the like can be used.
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。 It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)所定のリセット電圧のノードに接続された垂直リセット入力線に所定の負荷電流を供給する負荷電流源と、
前記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、
一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、
前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、
前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路と
を具備する固体撮像素子。
(2)前記一対の光電変換素子の一方と前記一対の浮遊拡散層の一方と前記一対のリセットトランジスタの一方と前記転送トランジスタと前記一対の増幅トランジスタの一方とは、所定方向に配列された一対の画素の一方に配置され、
前記一対の光電変換素子の他方と前記一対の浮遊拡散層の他方と前記一対のリセットトランジスタの他方と前記一対の増幅トランジスタの他方とは、前記一対の画素の他方に配置される
前記(1)記載の固体撮像素子。
(3)所定の電源電圧を低下させてリセット電圧として前記垂直リセット入力線に供給するリセット電圧供給トランジスタをさらに具備する
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)前記垂直リセット入力線の単位長さ当たりの前記配線抵抗は、前記垂直信号線の単位長さ当たりの前記配線抵抗よりも大きい
前記(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)前記垂直リセット入力線の電圧を増幅して前記一対のリセットトランジスタのそれぞれに供給するバッファをさらに具備する
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)前記垂直信号線の配線抵抗による電圧降下量を測定して測定値を供給する電圧降下測定部と、
前記測定値に応じたバイアス電圧を生成して前記リセット電圧供給トランジスタのゲートに供給するバイアス電圧生成部と
をさらに具備する
前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)差動モードが設定された場合には前記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に前記一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方へ前記電荷を転送させる制御と前記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に前記一対の光電変換素子の他方から前記一対の浮遊拡散層の他方へ電荷を転送させる制御とを順に行う垂直駆動部をさらに具備する
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)前記垂直駆動部は、ソースフォロワモードが設定された場合には前記一対の浮遊拡散層を初期化させた後に前記一対の光電変換素子のそれぞれから前記一対の浮遊拡散層へ前記電荷を転送させる制御を行う
前記(7)記載の固体撮像素子。
(9)所定のリセット電圧のノードに接続された垂直リセット入力線に所定の負荷電流を供給する負荷電流源と、
前記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、
一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、
前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、
前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路と、
前記画素信号を処理する信号処理部と
を具備する撮像装置。
(10)一対のリセットトランジスタが、所定のリセット電圧のノードに接続され、所定の負荷電流が供給される垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する初期化手順と、
転送トランジスタが、一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送手順と、
一対の増幅トランジスタが、前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する増幅手順と、
カレントミラー回路が、前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力する出力手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
The present technology can have the following configurations.
(1) A load current source that supplies a predetermined load current to a vertical reset input line connected to a node having a predetermined reset voltage, and
A pair of reset transistors that initialize a pair of stray diffusion layers with a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
A transfer transistor that transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers and generates a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
A pair of amplification transistors that generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage,
A solid-state image sensor including a current mirror circuit that outputs a pixel signal having a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line.
(2) One of the pair of photoelectric conversion elements, one of the pair of floating diffusion layers, one of the pair of reset transistors, the transfer transistor, and one of the pair of amplification transistors are arranged in a predetermined direction. Placed on one of the pixels of
The other of the pair of photoelectric conversion elements, the other of the pair of floating diffusion layers, the other of the pair of reset transistors, and the other of the pair of amplification transistors are arranged on the other of the pair of pixels (1). The solid-state imaging device described.
(3) The solid-state image pickup device according to (1) or (2), further comprising a reset voltage supply transistor that lowers a predetermined power supply voltage and supplies the reset voltage to the vertical reset input line.
(4) The solid according to any one of (1) to (3), wherein the wiring resistance per unit length of the vertical reset input line is larger than the wiring resistance per unit length of the vertical signal line. Image sensor.
(5) The solid-state image sensor according to any one of (1) to (4), further comprising a buffer that amplifies the voltage of the vertical reset input line and supplies the voltage to each of the pair of reset transistors.
(6) A voltage drop measuring unit that measures the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical signal line and supplies the measured value, and
The solid-state image sensor according to any one of (1) to (5) above, further comprising a bias voltage generating unit that generates a bias voltage according to the measured value and supplies the bias voltage to the gate of the reset voltage supply transistor.
(7) When the differential mode is set, the control is such that after initializing the pair of floating diffusion layers, the electric charge is transferred from one of the pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers. (1) The above (1) further includes a vertical drive unit that sequentially controls the transfer of electric charges from the other of the pair of photoelectric conversion elements to the other of the pair of floating diffusion layers after initializing the pair of floating diffusion layers. The solid-state imaging device according to any one of (6) to (6).
(8) The vertical drive unit initializes the pair of floating diffusion layers when the source follower mode is set, and then transfers the electric charge from each of the pair of photoelectric conversion elements to the pair of floating diffusion layers. The solid-state imaging device according to (7) above, which controls transfer.
(9) A load current source that supplies a predetermined load current to a vertical reset input line connected to a node having a predetermined reset voltage.
A pair of reset transistors that initialize a pair of stray diffusion layers with a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
A transfer transistor that transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers and generates a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
A pair of amplification transistors that generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage,
A current mirror circuit that outputs a pixel signal with a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line, and
An image pickup apparatus including a signal processing unit that processes the pixel signal.
(10) A pair of reset transistors are connected to a node having a predetermined reset voltage, and a pair of stray diffusion layers are formed by a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line to which a predetermined load current is supplied. Initialization procedure to initialize and
A transfer procedure in which a transfer transistor transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers to generate a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
An amplification procedure in which a pair of amplification transistors generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage.
A method for controlling a solid-state image sensor, comprising an output procedure in which a current mirror circuit outputs a pixel signal having a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line.
100 撮像装置
110 光学部
120 デジタルシグナルプロセッサ
130 表示部
140 操作部
150 バス
160 電源部
170 記録部
180 フレームメモリ
200 固体撮像素子
210 垂直駆動部
220 画素アレイ部
230、240 画素
231、241 光電変換素子
232、242 転送トランジスタ
233、243 リセットトランジスタ
234、244 浮遊拡散層
235、245 選択トランジスタ
236、246 増幅トランジスタ
251、252 バッファ
270 カラム信号処理部
271 ADC
272 比較器
273 カウンタ
280 出力部
291 システム制御部
292 水平駆動部
293 データ格納部
294 画像処理部
300 カラム読出し回路
310 単位読出し回路
311〜314 pMOSトランジスタ
321、322 テール電流源
323、324 負荷電流源
331〜347 スイッチ
351 電圧降下測定部
352 バイアス電圧生成部
12031 撮像部
100
272
Claims (10)
前記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、
一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、
前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、
前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路と
を具備する固体撮像素子。 A load current source that supplies a given load current to a vertical reset input line connected to a node with a given reset voltage,
A pair of reset transistors that initialize a pair of stray diffusion layers with a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
A transfer transistor that transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers and generates a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
A pair of amplification transistors that generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage,
A solid-state image sensor including a current mirror circuit that outputs a pixel signal having a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line.
前記一対の光電変換素子の他方と前記一対の浮遊拡散層の他方と前記一対のリセットトランジスタの他方と前記一対の増幅トランジスタの他方とは、前記一対の画素の他方に配置される
請求項1記載の固体撮像素子。 One of the pair of photoelectric conversion elements, one of the pair of floating diffusion layers, one of the pair of reset transistors, the transfer transistor, and one of the pair of amplification transistors are a pair of pixels arranged in a predetermined direction. Placed on one side,
The first aspect of claim 1, wherein the other of the pair of photoelectric conversion elements, the other of the pair of floating diffusion layers, the other of the pair of reset transistors, and the other of the pair of amplification transistors are arranged on the other of the pair of pixels. Solid-state image sensor.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, further comprising a reset voltage supply transistor that lowers a predetermined power supply voltage and supplies the reset voltage to the vertical reset input line.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the wiring resistance per unit length of the vertical reset input line is larger than the wiring resistance per unit length of the vertical signal line.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, further comprising a buffer that amplifies the voltage of the vertical reset input line and supplies the voltage to each of the pair of reset transistors.
前記測定値に応じたバイアス電圧を生成して前記リセット電圧供給トランジスタのゲートに供給するバイアス電圧生成部と
をさらに具備する
請求項1記載の固体撮像素子。 A voltage drop measuring unit that measures the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical signal line and supplies the measured value,
The solid-state image sensor according to claim 1, further comprising a bias voltage generating unit that generates a bias voltage according to the measured value and supplies the bias voltage to the gate of the reset voltage supply transistor.
請求項1記載の固体撮像素子。 When the differential mode is set, the control of initializing the pair of floating diffusion layers and then transferring the charge from one of the pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers and the pair of The solid-state imaging according to claim 1, further comprising a vertical drive unit that sequentially controls the transfer of electric charges from the other of the pair of photoelectric conversion elements to the other of the pair of floating diffusion layers after initializing the floating diffusion layer. element.
請求項7記載の固体撮像素子。 When the source follower mode is set, the vertical drive unit initializes the pair of floating diffusion layers and then transfers the electric charge from each of the pair of photoelectric conversion elements to the pair of floating diffusion layers. 7. The solid-state image sensor according to claim 7.
前記垂直リセット入力線の配線抵抗による電圧降下量に応じた参照電圧によって一対の浮遊拡散層を初期化する一対のリセットトランジスタと、
一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送トランジスタと、
前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する一対の増幅トランジスタと、
前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力するカレントミラー回路と、
前記画素信号を処理する信号処理部と
を具備する撮像装置。 A load current source that supplies a given load current to a vertical reset input line connected to a node with a given reset voltage,
A pair of reset transistors that initialize a pair of stray diffusion layers with a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line.
A transfer transistor that transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers and generates a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
A pair of amplification transistors that generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage,
A current mirror circuit that outputs a pixel signal with a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line, and
An image pickup apparatus including a signal processing unit that processes the pixel signal.
転送トランジスタが、一対の光電変換素子の一方から前記一対の浮遊拡散層の一方に電荷を転送して前記電荷の量に応じた電圧を信号電圧として生成させる転送手順と、
一対の増幅トランジスタが、前記参照電圧と前記信号電圧との差分に応じた出力電流を生成する増幅手順と、
カレントミラー回路が、前記出力電流に応じた電圧の画素信号を垂直信号線から出力する出力手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。 A pair of reset transistors are connected to a node with a predetermined reset voltage, and a pair of stray diffusion layers are initialized by a reference voltage according to the amount of voltage drop due to the wiring resistance of the vertical reset input line to which a predetermined load current is supplied. Initialization procedure and
A transfer procedure in which a transfer transistor transfers an electric charge from one of a pair of photoelectric conversion elements to one of the pair of floating diffusion layers to generate a voltage corresponding to the amount of the electric charge as a signal voltage.
An amplification procedure in which a pair of amplification transistors generate an output current according to the difference between the reference voltage and the signal voltage.
A method for controlling a solid-state image sensor, comprising an output procedure in which a current mirror circuit outputs a pixel signal having a voltage corresponding to the output current from a vertical signal line.
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