JP2021141546A - Two-stage correlation noise elimination circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子の雑音除去回路に関し、特に、固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を除去する2段相関雑音除去回路に関する。 The present invention relates to a noise reduction circuit of a solid-state image sensor, and more particularly to a two-stage correlation noise removal circuit that removes correlation noise in an output signal of a solid-state image sensor or a CDS circuit.
CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子には、画素毎のリセット時に発生するランダムノイズ(リセットノイズ)や、画素内のソースフォロワ用トランジスタの特性ばらつきによって生じる固定パターンノイズを低減するために、固体撮像素子の出力信号に対して相関2重サンプリング(CDS)処理を行うCDS回路を配置することがある。特に、リセットノイズは、画素リセット直後のリセット電圧レベル(フローティングディフュージョン領域のリセット直後の信号電位)のゆらぎが、そのまま撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルに重畳する形で現れるため、信号電圧に対する相関雑音となる。 For solid-state image sensors such as CCD image sensors and CMOS image sensors, in order to reduce random noise (reset noise) that occurs when resetting each pixel and fixed pattern noise that occurs due to variations in the characteristics of the source follower transistors in the pixel. , A CDS circuit that performs correlation double sampling (CDS) processing on the output signal of the solid-state image sensor may be arranged. In particular, the reset noise is a signal because the fluctuation of the reset voltage level immediately after the pixel reset (the signal potential immediately after the reset of the floating diffusion region) appears in the form of being superimposed on the signal voltage level at the time of reading the signal of the captured and received pixel as it is. Correlated noise with respect to voltage.
例えば、図4は、従来技術における典型的なCDS回路の配置例を示す図である。CDS回路51は、典型的には、エリアイメージセンサ若しくはリニアイメージセンサとして構成される固体撮像素子50と、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル(A/D)変換回路52との間に配置される。そして、CDS回路51は、固体撮像素子の出力信号を入力信号Vinとして入力し、画素リセット直後のリセット電圧レベルを各画素単位でクランプ又はサンプリングするとともに、撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルをサンプリングして、その両者の差を示す信号を出力信号VoとしてA/D変換回路52に出力し、A/D変換回路52によりデジタル信号に変換させる。尚、CDS回路51とA/D変換回路52との間に、自動オフセット調整、自動温度補償、自動利得調整、或いは過電圧・過電流保護等の他の回路が配設されることもある。
For example, FIG. 4 is a diagram showing an arrangement example of a typical CDS circuit in the prior art. The
このCDS回路としては、一般的に反転増幅型の相関雑音除去回路が利用され、固体撮像素子の出力信号を入力しリセットノイズを除去した信号を適宜増幅して出力することで、入力換算ノイズをより低減することが可能となっている。しかし、1段のCDS回路では、当該リセットノイズの影響を十分に除去できないことがあり、さらには、1段のCDS回路のスイッチング動作に基づくスイッチングノイズが相関雑音として残留することもあることから、高ダイナミックレンジ、高S/Nを目指す上では障害となる。 As this CDS circuit, an inverting amplification type correlation noise removal circuit is generally used, and input conversion noise is generated by inputting an output signal of a solid-state image sensor and appropriately amplifying and outputting a signal from which reset noise has been removed. It is possible to further reduce it. However, the one-stage CDS circuit may not be able to sufficiently remove the influence of the reset noise, and the switching noise based on the switching operation of the one-stage CDS circuit may remain as the correlation noise. It is an obstacle to aiming for high dynamic range and high S / N.
そこで、上記CDS回路を2段構成とすることで、よりトータルのノイズを低減することが可能となることが知られている(例えば、非特許文献1,2,3参照)。
Therefore, it is known that the total noise can be further reduced by forming the CDS circuit in two stages (see, for example,
上述したように、固体撮像素子の出力信号におけるリセットノイズによる相関雑音を除去する際に、1段のCDS回路で当該リセットノイズの影響を除去できたとしても、当該1段のCDS回路のスイッチング動作に基づくスイッチングノイズが相関雑音として残留し、高ダイナミックレンジ、高S/Nを目指す上では障害となる。 As described above, when removing the correlation noise due to the reset noise in the output signal of the solid-state image sensor, even if the influence of the reset noise can be removed by the one-stage CDS circuit, the switching operation of the one-stage CDS circuit. The switching noise based on the above remains as the correlation noise, which is an obstacle in aiming at a high dynamic range and a high S / N.
一方、相関雑音除去回路として、例えば非特許文献2に開示されるように2段構成のCDS回路とし、1段目のCDS回路で発生した相関雑音を抑制する手法が考案されているが、2段目のCDS回路に採用される非反転増幅型回路は、全差動型であったため、回路規模が大きく、固体撮像素子における信号線間(狭ピッチカラム)に配置することが困難になる。したがって、高精細な固体撮像素子への2段構成のCDS回路の適用が従来技術では難しかった。
On the other hand, as a correlated noise removing circuit, for example, as disclosed in
そこで、本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を高精度に除去し、従来技術よりも小規模の回路構成で高精細な固体撮像素子へ適用可能とし、これにより高ダイナミックレンジ化、及び高S/N化を可能とする2段相関雑音除去回路を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to remove the correlation noise in the output signal of the solid-state image sensor or the CDS circuit with high accuracy in view of the above-mentioned problems, and to obtain a high-definition solid-state image sensor with a circuit configuration smaller than that of the prior art. It is an object of the present invention to provide a two-stage correlation noise elimination circuit which can be applied to a high dynamic range and a high S / N.
本発明の2段相関雑音除去回路は、固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を除去する2段相関雑音除去回路であって、前記固体撮像素子の出力信号を入力し、前記固体撮像素子における画素リセット直後のリセット電圧レベルを各画素単位で一定レベルにクランプし、前記固体撮像素子における撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルを反転の第1利得で利得変換して出力する第1相関雑音除去部と、前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を入力し、前記第1相関雑音除去部のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、前記第1相関雑音除去部の信号電圧レベルをサンプリングし非反転の第2利得で利得変換して出力する第2相関雑音除去部と、を備え、前記第2相関雑音除去部は、前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を入力し、その出力電圧における前記第1相関雑音除去部のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、前記第1相関雑音除去部の信号電圧レベルをサンプリングして容量負帰還回路に転送するスイッチト・キャパシタ入力段を有することを特徴とする。 The two-stage correlated noise removing circuit of the present invention is a two-stage correlated noise removing circuit that removes the correlated noise in the output signal of the solid-state imaging element or the CDS circuit, and inputs the output signal of the solid-state imaging element to perform the solid-state imaging. The reset voltage level immediately after the pixel reset in the element is clamped to a constant level for each pixel, and the signal voltage level at the time of reading the signal of the captured and received pixel in the solid-state imaging element is gain-converted by the first gain of inversion and output. The output voltages from the first correlated noise removing unit and the first correlated noise removing unit are input, the reset voltage level of the first correlated noise removing unit is sampled, and the signal voltage level of the first correlated noise removing unit is sampled. The second correlated noise removing unit is provided with a second correlated noise removing unit that samples the voltage, converts the gain with a non-inverting second gain, and outputs the voltage. The second correlated noise removing unit inputs the output voltage from the first correlated noise removing unit. A switched capacitor input stage that samples the reset voltage level of the first correlated noise removing unit at the output voltage and samples the signal voltage level of the first correlated noise removing unit and transfers it to the capacitive negative feedback circuit. It is characterized by having.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記第1利得及び前記第2利得が共に固定利得で構成され、前記第2利得は前記第1利得より低い値に設定されていることを特徴とする。 Further, in the two-stage correlated noise elimination circuit of the present invention, the first gain and the second gain are both composed of a fixed gain, and the second gain is set to a value lower than the first gain. And.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記第1利得と前記第2利得のいずれか一方又は双方が可変利得で構成され、前記第2利得は前記第1利得より常に低い値で動作することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlation noise elimination circuit of the present invention, either one or both of the first gain and the second gain is configured as a variable gain, and the second gain always operates at a value lower than the first gain. It is characterized by doing.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記第2相関雑音除去部は、2種類の基準電圧値の調整によるオフセット調整手段を有することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlation noise removing circuit of the present invention, the second correlation noise removing unit is characterized by having an offset adjusting means for adjusting two types of reference voltage values.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記スイッチト・キャパシタ入力段は、前記第2相関雑音除去部の出力タイミングを調整する調整手段を有することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlated noise removing circuit of the present invention, the switched capacitor input stage is characterized by having an adjusting means for adjusting the output timing of the second correlated noise removing unit.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記スイッチト・キャパシタ入力段は、前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を一方の端子で入力する第1スイッチと、前記第1スイッチの他方の端子をそれぞれ一方の端子に接続する容量及び第3スイッチと、該容量の他方の端子をそれぞれ一方の端子に接続する第2スイッチ及び第4スイッチと、を有し、前記第2スイッチの他方の端子は、前記スイッチト・キャパシタ入力段の出力部を構成し、前記第3スイッチの他方の端子、及び前記第4スイッチの他方の端子の各々は、第1の基準電圧を発生する基準電源に接続され、前記第1の基準電圧を基準に、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを介して交流結合する前記第1相関雑音除去部からの出力における信号状態を、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチの切り替えによる信号リレーでサンプリングして出力するよう動作することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlated noise removing circuit of the present invention, the switched capacitor input stage includes a first switch for inputting an output voltage from the first correlated noise removing unit at one terminal and the first switch. The second switch has a capacitance and a third switch for connecting the other terminal to one terminal, and a second switch and a fourth switch for connecting the other terminal of the capacitance to one terminal, respectively. The other terminal constitutes the output unit of the switched capacitor input stage, and each of the other terminal of the third switch and the other terminal of the fourth switch is a reference for generating the first reference voltage. The signal state at the output from the first correlated noise removing unit connected to the power source and AC-coupled via the first switch and the second switch with reference to the first reference voltage is set to the third switch and the signal state. It is characterized in that it operates so as to sample and output by a signal relay by switching the fourth switch.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記第2相関雑音除去部は、前記スイッチト・キャパシタ入力段の後段に、前記スイッチト・キャパシタ入力段の出力部を構成する前記第2スイッチの当該他方の端子を負入力端子に接続するオペアンプと、前記オペアンプの負入力端子にそれぞれ一方の端子が接続される帰還容量及びリセットスイッチと、を有し、前記オペアンプの正入力端子は、第2の基準電圧を発生する基準電源に接続され、前記帰還容量の他方の端子、及び前記リセットスイッチの他方の端子は、それぞれ前記オペアンプの出力端子に接続され、前記リセットスイッチがオフ時に、前記帰還容量に結合された前記オペアンプの出力電圧が前記オペアンプの負入力端子にフィードバックされ、前記リセットスイッチがオン時に、前記オペアンプの出力電圧が前記第2の基準電圧にクランプされるように動作することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlated noise removing circuit of the present invention, the second correlated noise removing unit constitutes the output unit of the switched capacitor input stage after the switched capacitor input stage. The operational amplifier has an operational amplifier that connects the other terminal to the negative input terminal, and a feedback capacitance and a reset switch that connect one terminal to the negative input terminal of the operational amplifier. It is connected to the reference power supply that generates the reference voltage of 2, and the other terminal of the feedback capacitance and the other terminal of the reset switch are connected to the output terminals of the operational amplifier, respectively, and when the reset switch is off, the feedback The output voltage of the operational amplifier coupled to the capacitance is fed back to the negative input terminal of the operational amplifier, and when the reset switch is turned on, the output voltage of the operational amplifier operates so as to be clamped to the second reference voltage. It is a feature.
また、本発明の2段相関雑音除去回路において、前記第2相関雑音除去部は、前記第1乃至第4スイッチ、及び前記リセットスイッチについて、1走査期間ごとに供給される動作クロックにより駆動し、4つの動作フェーズに分かれた駆動パターンにより動作することを特徴とする。 Further, in the two-stage correlation noise removal circuit of the present invention, the second correlation noise removal unit is driven by an operation clock supplied for each scanning period for the first to fourth switches and the reset switch. It is characterized in that it operates according to a drive pattern divided into four operation phases.
本発明によれば、従来技術よりも小規模の回路構成で固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を高精度に除去でき、高ダイナミックレンジ化、及び高S/N化が可能となる。 According to the present invention, it is possible to remove the correlation noise in the output signal of the solid-state image sensor or the CDS circuit with high accuracy with a circuit configuration smaller than that of the prior art, and it is possible to increase the dynamic range and increase the S / N ratio. ..
以下、図1乃至図3を参照して、本発明による一実施例の2段相関雑音除去回路1について説明する。図1は、本発明による一実施例の2段相関雑音除去回路1の全体回路図である。
Hereinafter, the two-stage correlation
本実施例の2段相関雑音除去回路1は、図4に示すCDS回路51に置き換えて利用するものであり、固体撮像素子の出力信号を入力信号Vinとして入力し、画素リセット直後のリセット電圧レベル(フローティングディフュージョン領域のリセット直後の信号電位)を各画素単位で一定レベルにクランプし、撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルを出力して、その両者の差を示す信号を出力信号VoとしてA/D変換回路52に出力し、A/D変換回路52によりデジタル信号に変換させる回路である。尚、図4に示すCDS回路51に置き換える代わりに、リセット電圧レベルと信号電圧レベルの信号を出力するようにしたCDS回路51の後段に、本発明に係る一実施例の2段相関雑音除去回路1を利用してもよく、いずれの場合でも、その2段相関雑音除去回路1とA/D変換回路52との間に、自動オフセット調整、自動温度補償、自動利得調整、或いは過電圧・過電流保護等の他の回路を配設してもよい。更に、本発明に係る2段相関雑音除去回路1は、アナログ領域で、固体撮像素子の出力信号における相関雑音を除去するとともに、デジタル領域で、デジタルCDSも利用可能とするよう波形整形する構成となっている。
The two-stage correlation
(全体回路構成)
図1に示す2段相関雑音除去回路1は、第1相関雑音除去部11及び第2相関雑音除去部12から構成される。
(Overall circuit configuration)
The two-stage correlated
第1相関雑音除去部11は、回路構成自体は、いわゆる利得変換回路で構成されているが、固体撮像素子の出力信号を入力信号Vinとして入力し、固体撮像素子における画素リセット直後のリセット電圧レベルを各画素単位で一定レベルにクランプし、固体撮像素子における撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルを反転の第1利得で利得変換して第2相関雑音除去部12に出力する。
Although the circuit configuration itself of the first correlation
より具体的に、第1相関雑音除去部11において、入力信号Vinは容量Cc1の一方の端子に入力され、容量Cc1の他方の端子はオペアンプOP1の負入力端子に接続される。即ち、容量Cc1により交流結合された入力信号Vinが、オペアンプOP1の負入力端子に入力される。
More specifically, in the first correlation
また、オペアンプOP1の正入力端子は、基準電圧VRC1を発生する基準電源に接続されている。即ち、オペアンプOP1の正入力端子には、基準電圧VRC1が常時入力されている。 Further, the positive input terminal of the operational amplifier OP1 is connected to a reference power supply that generates a reference voltage VRC1. That is, the reference voltage VRC1 is always input to the positive input terminal of the operational amplifier OP1.
また、オペアンプOP1の負入力端子には帰還容量Cf1の一方の端子が接続され、帰還容量Cf1の他方の端子はオペアンプOP1の出力端子に接続される。リセットスイッチRT1は、帰還容量Cf1の双方の端子間に接続される。即ち、リセットスイッチRT1がオフ時に、帰還容量Cf1に結合されたオペアンプOP1の出力電圧が、オペアンプOP1の負入力端子にフィードバックされ、リセットスイッチRT1がオン時に、オペアンプOP1の出力電圧が基準電圧VRC1にクランプされることで、画素リセット直後のリセット電圧レベルを各画素単位で一定レベルにクランプすることができる。 Further, one terminal of the feedback capacitance Cf1 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OP1, and the other terminal of the feedback capacitance Cf1 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP1. The reset switch RT1 is connected between both terminals of the feedback capacitance Cf1. That is, when the reset switch RT1 is off, the output voltage of the operational amplifier OP1 coupled to the feedback capacitance Cf1 is fed back to the negative input terminal of the operational amplifier OP1, and when the reset switch RT1 is on, the output voltage of the operational amplifier OP1 becomes the reference voltage VRC1. By being clamped, the reset voltage level immediately after the pixel reset can be clamped to a constant level for each pixel.
従って、オペアンプOP1の出力電圧Vfは、第1相関雑音除去部11において、入力信号Vinに対し反転の状態で、リセット電圧レベルを基準電圧VRC1にクランプし、Cc1とCf1の容量値を調整して第1利得G1の出力信号を発生することができる。
Therefore, the output voltage Vf of the operational amplifier OP1 is inverted with respect to the input signal Vin in the first correlation
一方、第2相関雑音除去部12は、第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfを入力し、第1相関雑音除去部11のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、第1相関雑音除去部11の信号電圧レベルをサンプリングし非反転の第2利得で利得変換して、出力信号VoとしてA/D変換回路52に出力し、A/D変換回路52によりデジタル信号に変換させる回路である。
On the other hand, the second correlated
より具体的に、第2相関雑音除去部12において、第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfを入力し、その出力電圧Vfにおける第1相関雑音除去部11のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、第1相関雑音除去部11の信号電圧レベルをサンプリングして容量負帰還回路に転送するスイッチト・キャパシタ入力段121が設けられている。
More specifically, in the second correlated
スイッチト・キャパシタ入力段121には、第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfを一方の端子で入力する第1スイッチP1が配置され、第1スイッチP1の他方の端子は容量Cc2の一方の端子に接続される。また、容量Cc2の他方の端子は第2スイッチP2の一方の端子に接続される。第2スイッチP2の他方の端子はオペアンプOP2の負入力端子に接続される。即ち、第1スイッチP1及び第2スイッチP2を介して第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfを容量Cc2により交流結合させることができる。
A first switch P1 for inputting the output voltage Vf from the first correlation
また、容量Cc2の当該一方の端子は第3スイッチP3の一方の端子に接続され、容量Cc2の当該他方の端子は第4スイッチP4の一方の端子に接続される。第3スイッチP3の他方の端子、及び第4スイッチP4の他方の端子の各々は、基準電圧VRBを発生する基準電源に接続されている。即ち、スイッチト・キャパシタ入力段121は、基準電圧VRBを基準に、第1スイッチP1及び第2スイッチP2を介して交流結合する第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfにおける信号状態を、第3スイッチP3及び第4スイッチP4の切り替えによる信号リレーで確実に保持しながら(基準電圧VRC1は基準電圧VRBにクランプし直される。)、オペアンプOP2の負入力端子に入力することができる。
Further, the one terminal of the capacitance Cc2 is connected to one terminal of the third switch P3, and the other terminal of the capacitance Cc2 is connected to one terminal of the fourth switch P4. Each of the other terminal of the third switch P3 and the other terminal of the fourth switch P4 is connected to a reference power source that generates a reference voltage VRB. That is, the switched
第2相関雑音除去部12におけるスイッチト・キャパシタ入力段121の後段は、容量Cc2と共に、いわゆる容量負帰還回路で構成され、第2スイッチP2の当該他方の端子はオペアンプOP2の負入力端子に接続され、即ち、容量Cc2により交流結合された入力信号Vfが、オペアンプOP2の負入力端子に入力される。
The subsequent stage of the switched
また、オペアンプOP2の正入力端子は、基準電圧VRC2を発生する基準電源に接続されている。即ち、オペアンプOP2の正入力端子には、基準電圧VRC2が常時入力されている。 Further, the positive input terminal of the operational amplifier OP2 is connected to a reference power supply that generates a reference voltage VRC2. That is, the reference voltage VRC2 is always input to the positive input terminal of the operational amplifier OP2.
また、オペアンプOP2の負入力端子には帰還容量Cf2の一方の端子が接続され、帰還容量Cf2の他方の端子はオペアンプOP2の出力端子に接続される。リセットスイッチRT2は、帰還容量Cf2の双方の端子間に接続される。即ち、リセットスイッチRT2がオフ時に、帰還容量Cf2に結合されたオペアンプOP2の出力電圧が、オペアンプOP2の負入力端子にフィードバックされ、リセットスイッチRT2がオン時に、オペアンプOP2の出力電圧が基準電圧VRC2にクランプされることで、第1相関雑音除去部11におけるリセット直後のリセット電圧レベルを一定レベルにクランプすることができる。
Further, one terminal of the feedback capacitance Cf2 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OP2, and the other terminal of the feedback capacitance Cf2 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP2. The reset switch RT2 is connected between both terminals of the feedback capacitance Cf2. That is, when the reset switch RT2 is off, the output voltage of the operational amplifier OP2 coupled to the feedback capacitance Cf2 is fed back to the negative input terminal of the operational amplifier OP2, and when the reset switch RT2 is on, the output voltage of the operational amplifier OP2 becomes the reference voltage VRC2. By being clamped, the reset voltage level immediately after the reset in the first correlation
従って、オペアンプOP2の出力電圧Voは、第2相関雑音除去部12において、第1相関雑音除去部11からの出力電圧Vfに対し非反転の状態で、リセット電圧レベルを基準電圧にクランプし、Cc2とCf2の容量値を調整して第2利得G2の出力信号を発生することができる。
Therefore, the output voltage Vo of the operational amplifier OP2 is not inverted with respect to the output voltage Vf from the first correlated
詳細は、より具体的に後述するが、2段相関雑音除去回路1の全体として、リセット電圧レベルVrからの撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルの差を示す信号をvsとし、G1=−Cc1/Cf1=−1,G2=Cc2/Cf2=1とすれば、vsのサンプリング時点の出力電圧Voは、Vo=3×VRC2−2×VRB+vsで表され、VRC2=VRBとすれば、Vo=VRC2+vsとなり、リセット電圧レベルVrの影響を除去(基準電圧VRC2でクランプ)したものとなる。このため、2段相関雑音除去回路1は、入力信号Vinに対し反転の状態で、リセット電圧レベルを基準電圧にクランプし、更には、Cc1とCf1の容量値の調整による第1利得G1と、Cc2とCf2の容量値の調整による第2利得G2による利得調整後の出力信号をA/D変換回路に向けて出力することができる。
Details will be described in more detail later, but as a whole of the two-stage correlation
即ち、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、2段階の相関雑音除去を構成しており、A/D変換処理前の信号に対する高S/N化を図っている。特に、本実施例の2段相関雑音除去回路1における第2相関雑音除去部12は、第1相関雑音除去部11からの入力信号Vfに対し非反転の状態で、第1相関雑音除去部11で発生する相関雑音を除去できるようにしており、回路の全体構成を小規模化して、特にCMOSエリアイメージセンサの高精細化に寄与するものとなっている。
That is, the two-stage correlation
更に、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、2種類の基準電圧VRB,VRC2の調整が可能であり、A/D変換処理前の基準電圧VRB,VRC2の調整によるオフセット調整の自由度を向上させ、尚且つCc1とCf1の容量値の調整による第1利得G1と、Cc2とCf2の容量値の調整による第2利得G2による利得調整の自由度を向上させることで、高ダイナミックレンジ化を可能としている。尚、Cc1,Cf1、並びに、Cc2,Cf2は、それぞれ可変容量(複数種の容量の切り替え選択を含む。)として自動利得調整機能を有するものとしてもよく、増幅(Amplifier)とするか減衰(Attenuator)とするかは随意設定できる。そして、第1利得をG1、第2利得をG2としたとき、入力換算ノイズは1/(G1×√G2)に比例する。したがって、2段相関雑音除去回路1全体としての相関雑音の除去性能を向上させるためには、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、第1利得G1及び第2利得G2が共に固定利得で構成されているときは、第2利得G2は第1利得G1より低い値に設定されるのが好適である。更に、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、第1利得G1と第2利得G2のいずれか一方又は双方が可変利得で構成されているときは、第2利得G2は第1利得G1より常に低い値で動作させるのが好適である。
Further, the two-stage correlation
更に、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、第2相関雑音除去部12における入力側に、スイッチト・キャパシタ入力段121を設けているため、このスイッチト・キャパシタ入力段121が第2相関雑音除去部12の出力タイミングを容易に調整することができ、A/D変換処理のタイミングマージンを確保するのに有利になる。
Further, since the two-stage correlated
(回路動作)
図2は、図1に示す2段相関雑音除去回路1における各動作フェーズの駆動クロックパターンを示す図である。また、図3は、図1に示す第2相関雑音除去部12の各動作フェーズの回路接続状態を示す回路図である。
(Circuit operation)
FIG. 2 is a diagram showing a drive clock pattern of each operation phase in the two-stage correlation
図2では、CMOSエリアイメージセンサを固体撮像素子として想定し、その固体撮像素子の出力信号(2段相関雑音除去回路1の入力信号Vin)は、光照射により、負方向に変化するものとして説明する。また、動作の理解を高めるために、図2において、G1=−Cc1/Cf1=−1,G2=Cc2/Cf2=1とし、VRC2=VRBとして説明する(VRC1はダイナミックレンジを確保する電位であれば任意であるが、ここではVRC2=VRC1とする。)。 In FIG. 2, a CMOS area image sensor is assumed as a solid-state image sensor, and the output signal of the solid-state image sensor (input signal Vin of the two-stage correlation noise removal circuit 1) is described as changing in the negative direction by light irradiation. do. Further, in order to enhance the understanding of the operation, G1 = −Cc1 / Cf1 = -1, G2 = Cc2 / Cf2 = 1 and VRC2 = VRB are described in FIG. This is optional, but here VRC2 = VRC1).
また、図2において、図1に示す2段相関雑音除去回路1における第1乃至第4スイッチP1,P2,P3,P4、及びリセットスイッチRT1,RT2は、制御クロック発生部(図示略)から固体撮像素子の1水平走査期間ごとに供給される動作クロックにより駆動されるものとし、図2に示すハイ状態がスイッチのオン“ON”、ロー状態がスイッチのオフ“OFF”を意味する。
Further, in FIG. 2, the first to fourth switches P1, P2, P3, P4 and the reset switches RT1 and RT2 in the two-stage correlation
図2に示すように、図1に示す2段相関雑音除去回路1は、第2相関雑音除去部12において、4つの動作フェーズ(1)〜(4)に分かれた駆動パターンにより、第1相関雑音除去部11からの入力信号Vfに対して非反転で動作し、これにより第1相関雑音除去部11の出力信号Vfに対して非反転で、第1相関雑音除去部11のリセット時に発生する相関雑音を除去した信号電圧の波形を整形して出力する。そして、図1に示す2段相関雑音除去回路1は、従来のCDS回路以上のノイズ低減効果を有しつつ、小規模の回路の構成となっており、CMOSエリアイメージセンサにおける狭ピッチカラムへの配置が可能となるため、高精細な固体撮像素子の高ダイナミックレンジ化、高S/N化を図ることができる。以下、より具体的に、その動作を説明する。
As shown in FIG. 2, the two-stage correlation
<動作フェーズ(1)>
まず第2相関雑音除去部12において、スイッチト・キャパシタ入力段121における第1スイッチP1及び第2スイッチP2をOFF状態、並びに第3スイッチP3及び第4スイッチP4をON状態として、容量Cc2の両端に基準電圧VRBを発生する基準電源に接続してリセットし、更に、リセットスイッチRT2をON状態としてオペアンプOP2及び帰還容量Cf2をリセットする(図3(a)参照)。また、第1相関雑音除去部11も、リセットスイッチRT1をON状態にして、第1相関雑音除去部11からの入力信号Vfを基準電圧VRC1にリセットする。この動作フェーズ(1)の終了時に、第3スイッチP3、第4スイッチP4及びリセットスイッチRT2をOFF状態にする。このとき、第2相関雑音除去部12の出力電圧VoはVRC2であり、本例ではVRC2=VRBとしている。
<Operation phase (1)>
First, in the second correlated
<動作フェーズ(2)>
次に、第1スイッチP1及び第2スイッチP2をON状態とした後、リセットスイッチRT1をOFF状態にして第1相関雑音除去部11から出力されるリセット電圧レベルVrを第2相関雑音除去部12によってサンプリングする(図3(b)参照)。このとき、第2相関雑音除去部12の入力電圧は第1相関雑音除去部11から出力されるリセット電圧レベルVrとなり、厳密には、基準電圧VRC1にリセットスイッチRT1のON/OFF動作により発生する相関雑音が重畳した値となる。このとき、第2相関雑音除去部12の出力電圧Voは2×VRC2−Vrである。この動作フェーズ(2)の終了時に、第2スイッチP2をOFF状態とする。
<Operation phase (2)>
Next, after the first switch P1 and the second switch P2 are turned on, the reset switch RT1 is turned off and the reset voltage level Vr output from the first correlated
<動作フェーズ(3)>
次に、第4スイッチP4をON状態にして、容量Cc2のオペアンプOP2側の端子を電圧VRBに接続する(図3(c)参照)。この直後に、第1相関雑音除去部11からの入力信号Vfにおける電圧レベルVr+vsが入力され、即ち、第1相関雑音除去部11から入力されるリセット電圧レベルVrに画素信号出力に相当する第1相関雑音除去部11の出力信号電圧レベルvsを重畳した値が第2相関雑音除去部12の入力部に印加され、第2相関雑音除去部12において、電圧Vr+vsが容量Cc2にサンプリングされる。このとき、第2相関雑音除去部12の出力電圧Voは、第2スイッチP2がOFF状態のままであるので、上記の動作フェーズ(2)と同様に、2×VRC2−Vrである。この動作フェーズ(3)の終了時に、第1スイッチP1及び第4スイッチP4をOFF状態とする。
<Operation phase (3)>
Next, the fourth switch P4 is turned on, and the terminal on the operational amplifier OP2 side of the capacitance Cc2 is connected to the voltage VRB (see FIG. 3C). Immediately after this, the voltage level Vr + vs in the input signal Vf from the first correlated
<動作フェーズ(4)>
次に、第2スイッチP2及び第3スイッチP3をON状態とし、容量Cc2にサンプリングされた電荷を帰還容量Cf2に転送する(図4(d)参照)。このとき、本例では第1利得G1=−1,第2利得G2=1としているので、第2相関雑音除去部12の出力電圧Voは、3×VRC2−2×VRB+vsとなり、第1相関雑音除去部11で発生する相関雑音が重畳したリセット電圧レベルVrは除去される。したがって、第1相関雑音除去部11からの残留の相関雑音(即ちイメージセンサのリセットノイズ残留分や、当該第1相関雑音除去部11のスイッチング動作に基づくスイッチングノイズが相関雑音として残留する分)は除去される。本例ではVRC2=VRBとしているので、第2相関雑音除去部12の出力電圧Voは、VRC2+vsとなる。即ち、VRC2とVRBの調整で基準電圧を自在に変更でき、Cc1とCf1の容量値の調整による第1利得G1と、Cc2とCf2の容量値の調整による第2利得G2による利得調整も可能であり、高ダイナミックレンジ化を可能としている。この動作フェーズ(4)の終了時に、第2スイッチP2をOFF状態とする。
<Operation phase (4)>
Next, the second switch P2 and the third switch P3 are turned on, and the electric charge sampled in the capacitance Cc2 is transferred to the feedback capacitance Cf2 (see FIG. 4D). At this time, since the first gain G1 = -1 and the second gain G2 = 1 in this example, the output voltage Vo of the second correlation
この動作フェーズ(1)〜(4)を順次実行することで、図1に示す2段相関雑音除去回路1は、固体撮像素子又はCDS回路の出力信号に対し相関雑音を低減するように出力信号を整形して出力することができ、高ダイナミックレンジ化、高S/N化を図ることができる。
By sequentially executing the operation phases (1) to (4), the two-stage correlated
(動作確認)
図1に示す2段相関雑音除去回路1について、図2に示す駆動クロックパターンで駆動したときの動作を確認した。Vr=1.5V、VRC2=1.3V、VRB=1.3V、vs=0.2Vとし、第1利得G1=−1,第2利得G2=1とした。各動作フェーズにおける出力電圧は、上記より、動作フェーズ(1):VRC2=1.3V,動作フェーズ(2),(3):2×VRC2−Vr=2・1.3−1.5=1.1V、動作フェーズ(4):3×VRC2−2×VRB+vs=0.2+3・1.3−2・1.3=1.5Vと計算されるが、理論通りに動作していることを確認した。また、本実施例の2段相関雑音除去回路1は、相関雑音除去を行わない場合と比較して、3dB以上の高S/N化を図ることができることを確認した。尚、図1に示す2段相関雑音除去回路1は、1段目の第1相関雑音除去部11で画素リセットノイズの影響を除去できたとしても、当該第1相関雑音除去部11のスイッチング動作に基づくスイッチングノイズが相関雑音として残留する分を、第2相関雑音除去部12により抑圧することができ、高ダイナミックレンジ化、高S/N化を実現できる。
(Operation check)
The operation of the two-stage correlation
以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態の例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。従って、本発明は、前述の実施形態の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。 Although the present invention has been described above with reference to examples of specific embodiments, the present invention is not limited to the examples of the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the technical idea. Therefore, the present invention is not limited to the examples of the above-described embodiments, but is limited only by the description of the scope of claims.
本発明によれば、従来技術よりも小規模の回路構成で固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を除去し、高ダイナミックレンジ化、及び高S/N化が可能となるので、固体撮像素子又はCDS回路の出力信号における相関雑音を除去する用途に有用である。 According to the present invention, it is possible to remove the correlation noise in the output signal of the solid-state image sensor or the CDS circuit with a circuit configuration smaller than that of the prior art, and to achieve a high dynamic range and a high S / N ratio. It is useful for removing correlated noise in the output signal of an image sensor or a CDS circuit.
1 2段相関雑音除去回路
11 第1相関雑音除去部
12 第2相関雑音除去部
121 スイッチト・キャパシタ入力段
P1 スイッチト・キャパシタ入力段における第1スイッチ
P2 スイッチト・キャパシタ入力段における第2スイッチ
P3 スイッチト・キャパシタ入力段における第3スイッチ
P4 スイッチト・キャパシタ入力段における第4スイッチ
OP1 第1相関雑音除去部におけるオペアンプ
OP2 第2相関雑音除去部におけるオペアンプ
RT1 第1相関雑音除去部におけるリセットスイッチ
RT2 第2相関雑音除去部におけるリセットスイッチ
Cc1 第1相関雑音除去部における交流結合用の容量
Cf1 第1相関雑音除去部におけるオペアンプの帰還容量
Cc2 第2相関雑音除去部におけるスイッチト・キャパシタ入力段の容量
Cf2 第2相関雑音除去部におけるオペアンプの帰還容量
VRC1 第1相関雑音除去部における基準電圧
VRC2 第2相関雑音除去部における基準電圧
VRB スイッチト・キャパシタ入力段における基準電圧
Vin 入力信号(固体撮像素子の出力信号)
Vf 第1相関雑音除去部の出力信号(第2相関雑音除去部の入力信号)
Vo 出力信号(第2相関雑音除去部の出力)
Vr 第1相関雑音除去部から出力されるリセット電圧レベル
vs 第1相関雑音除去部から出力される信号電圧レベル
50 固体撮像素子
51 相関2重サンプリング(CDS)回路
52 アナログ/デジタル(A/D)変換回路
1 2-stage correlated
Vf Output signal of the first correlation noise removal unit (input signal of the second correlation noise removal unit)
Vo output signal (output of the second correlation noise removal unit)
Vr Reset voltage level output from the first correlated noise removal unit vs Signal voltage level output from the first correlated
Claims (8)
前記固体撮像素子の出力信号を入力し、前記固体撮像素子における画素リセット直後のリセット電圧レベルを各画素単位で一定レベルにクランプし、前記固体撮像素子における撮影受光した画素の信号読み出し時の信号電圧レベルを反転の第1利得で利得変換して出力する第1相関雑音除去部と、
前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を入力し、前記第1相関雑音除去部のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、前記第1相関雑音除去部の信号電圧レベルをサンプリングし非反転の第2利得で利得変換して出力する第2相関雑音除去部と、を備え、
前記第2相関雑音除去部は、前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を入力し、その出力電圧における前記第1相関雑音除去部のリセット電圧レベルをサンプリングするとともに、前記第1相関雑音除去部の信号電圧レベルをサンプリングして容量負帰還回路に転送するスイッチト・キャパシタ入力段を有することを特徴とする2段相関雑音除去回路。 A two-stage correlation noise removal circuit that removes correlation noise in the output signal of a solid-state image sensor or CDS circuit.
The output signal of the solid-state image sensor is input, the reset voltage level immediately after the pixel reset in the solid-state image sensor is clamped to a constant level for each pixel, and the signal voltage at the time of reading the signal of the captured and received pixel in the solid-state image sensor. The first correlation noise remover that converts the level to the first gain of inversion and outputs it,
The output voltage from the first correlated noise removing unit is input, the reset voltage level of the first correlated noise removing unit is sampled, and the signal voltage level of the first correlated noise removing unit is sampled to obtain a non-inverting second. It is equipped with a second correlation noise remover that converts the gain with the gain and outputs it.
The second correlated noise removing unit inputs the output voltage from the first correlated noise removing unit, samples the reset voltage level of the first correlated noise removing unit at the output voltage, and removes the first correlated noise. A two-stage correlated noise elimination circuit characterized by having a switched capacitor input stage that samples the signal voltage level of the unit and transfers it to a capacitive negative feedback circuit.
前記第1相関雑音除去部からの出力電圧を一方の端子で入力する第1スイッチと、
前記第1スイッチの他方の端子をそれぞれ一方の端子に接続する容量及び第3スイッチと、
該容量の他方の端子をそれぞれ一方の端子に接続する第2スイッチ及び第4スイッチと、を有し、
前記第2スイッチの他方の端子は、前記スイッチト・キャパシタ入力段の出力部を構成し、前記第3スイッチの他方の端子、及び前記第4スイッチの他方の端子の各々は、第1の基準電圧を発生する基準電源に接続され、前記第1の基準電圧を基準に、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを介して交流結合する前記第1相関雑音除去部からの出力における信号状態を、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチの切り替えによる信号リレーでサンプリングして出力するよう動作することを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の2段相関雑音除去回路。 The switched capacitor input stage is
The first switch that inputs the output voltage from the first correlation noise removal unit at one terminal, and
The capacity to connect the other terminal of the first switch to one terminal and the third switch,
It has a second switch and a fourth switch that connect the other terminal of the capacitance to one terminal, respectively.
The other terminal of the second switch constitutes an output unit of the switched capacitor input stage, and each of the other terminal of the third switch and the other terminal of the fourth switch is a first reference. The signal state at the output from the first correlation noise removing unit, which is connected to the reference power source that generates a voltage and is AC-coupled via the first switch and the second switch with reference to the first reference voltage. The two-stage correlated noise removing circuit according to any one of claims 1 to 5, wherein the signal relay by switching between the third switch and the fourth switch operates to sample and output.
前記オペアンプの正入力端子は、第2の基準電圧を発生する基準電源に接続され、前記帰還容量の他方の端子、及び前記リセットスイッチの他方の端子は、それぞれ前記オペアンプの出力端子に接続され、
前記リセットスイッチがオフ時に、前記帰還容量に結合された前記オペアンプの出力電圧が前記オペアンプの負入力端子にフィードバックされ、前記リセットスイッチがオン時に、前記オペアンプの出力電圧が前記第2の基準電圧にクランプされるように動作することを特徴とする、請求項6に記載の2段相関雑音除去回路。 The second correlated noise removing unit is an operational amplifier that connects the other terminal of the second switch constituting the output unit of the switched capacitor input stage to a negative input terminal after the switched capacitor input stage. And a feedback capacitance and a reset switch, one of which is connected to the negative input terminal of the operational amplifier.
The positive input terminal of the operational amplifier is connected to a reference power supply that generates a second reference voltage, and the other terminal of the feedback capacitance and the other terminal of the reset switch are connected to the output terminal of the operational amplifier, respectively.
When the reset switch is off, the output voltage of the operational amplifier coupled to the feedback capacitance is fed back to the negative input terminal of the operational amplifier, and when the reset switch is on, the output voltage of the operational amplifier becomes the second reference voltage. The two-stage correlated noise elimination circuit according to claim 6, characterized in that it operates so as to be clamped.
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