JP3000782B2

JP3000782B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3000782B2
Application number: JP4061358A
Authority: JP
Inventors: 正治浜崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 2000-01-17
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JPH05227487A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置、特に水
平及び垂直方向にマトリックス状に二次元配置された複
数画素の各画素毎に形成され入射光量に応じた信号電荷
を増幅して出力する増幅手段を有する受光部と、垂直方
向の画素の選択をする垂直走査手段と、垂直ライン毎に
設けられ前記増幅手段の増幅出力に含まれる雑音を除去
する雑音除去回路と、垂直方向に隣接する画素の信号電
荷に応じた前記雑音除去回路の出力をそれぞれを蓄積す
る第１及び第２のコンデンサとを有する固体撮像装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置として、水平及び垂直方向
にマトリックス状に画素が二次元配置されたイメージセ
ンサ部の水平ラインを垂直走査回路により選択してその
水平ラインの各画素の信号を各垂直信号線に一斉に読み
出し、相関二重サンプリングにより雑音を除去してコン
デンサに一時記憶し、その一水平ライン分の各信号を一
定の順序で読み出すタイプのものがある。そして、その
タイプの固体撮像装置の出力部の回路として図４に示す
ような回路が本願出願人会社において開発された。

【０００３】同図において、１は画素の入射光量に応じ
た信号を蓄積するストレージ、２はその出力ゲートスイ
ッチＭＯＳトランジスタ（ＯＧ）、３はリセット用ＭＯ
Ｓトランジスタ、４は増幅用ソースホロアＭＯＳトラン
ジスタで、このゲート電極がフローティングディフィー
ジョンに接続されており、これら１〜４によりフローテ
ィングディフィージョンアンプ５が構成されている。

【０００４】上記出力ゲートスイッチ２のゲート電極は
出力ゲート信号線６に接続され、リセト用ＭＯＳトラン
ジスタ３のゲート電極はリセットゲート信号線７ａに、
リセット電極はリセットドレイン信号線７ｂにそれぞれ
接続されている。そして、垂直走査シフトレジスタ８か
ら、出力ゲートスイッチ２のゲート電極に出力ゲートパ
ルスφ_OGが、またリセット用ＭＯＳトランジスタ３のゲ
ート電極にリセットゲートパルスφ_FGが、ドレイン電極
にリセットドレインパルスφ_RDがそれぞれ印加されるこ
とにより水平ラインの選択を行うようになっている。ま
た、増幅用ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極には電
源電圧Ｖ_DDが印加され、そのソース電極が出力端Ｖ_OUT
として垂直信号線９に接続されている。そして、一つの
水平ラインが選択されると、その選択された水平ライン
の画素の信号電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタ４によっ
て増幅されて垂直信号線（垂直ライン）９に出力され
る。

【０００５】垂直信号線９には転送ゲートスイッチＭＯ
Ｓトランジスタ１０を介して負荷ＭＯＳトランジスタ１
１が接続されており、垂直信号線９に出力された各画素
の増幅出力はノイズ除去用コンデンサＣｃに蓄えられ
る。このコンデンサＣｃの出力端にはクランプスイッチ
ＭＯＳトランジスタ１２が接続されており、クランプス
イッチＭＯＳトランジスタ１２はそのゲート電極にクラ
ンプパルスφ_CLが印加されることによってオン状態とな
り、それによりコンデンサＣｃの出力端の電位がクラン
プレベルＶ_CLP■にクランプされる。このノイズ除去用
コンデンサＣｃ及びクランプスイッチＭＯＳトランジス
タ１２により、増幅用ＭＯＳトランジスタ４のソース出
力に含まれるリセット雑音等の雑音を低減するためのＣ
ＤＳ（相関二重サンプリング）回路１５が構成されてい
る。

【０００６】ノイズ除去用コンデンサＣｃの出力は、パ
ッフアンプ１３を経た後切換えスイッチ１４によって第
１、第２の信号保持手段であるサンプル／ホールド用コ
ンデンサＣ₁ 、Ｃ₂ に択一的に供給され、これらコンデ
ンサＣ₁ 、Ｃ₂ によってサンプル／ホールドされる。切
換スイッチ１４による切換制御は、水平ブランキング期
間において発生されるサンプル／ホールドパルスφ_SHに
よって１ライン毎に行われる。これにより、例えば、偶
数ラインの画素出力がコンデンサＣ₁ に、奇数ラインの
画素出力がコンデンサＣ₂ にそれぞれホールドされるこ
とになる。

【０００７】コンデンサＣ₁ 、Ｃ₂ のホールド出力は、
バッファアンプ１６_-1、１６_-2を経た後水平ゲートスイ
ッチ１７_-1、１７_-2によるスイッチングによって水平信
号線１８_-1、１８_-2に導出される。水平ゲートスイッチ
１６_-1、１６_-2のスイッチング制御は、水平走査シフト
レジスタ１９から出力される水平シフトパルフφ_H によ
って行われる。

【０００８】ところで、このような固体撮像装置におい
て、信号を読み出す場合には、上下に隣接するｎ番目と
ｎ＋１番目のラインをそれぞれ独立して読み出して一方
の信号電荷をコンデンサＣ₁ に、他方の信号電荷をコン
デンサＣ₂ に一時的に蓄積する。そして、全画素読み出
しをする場合には、その両コンデンサＣ₁ 、Ｃ₂ から独
立して信号を取り出して固体撮像装置外に出力すれば良
いということになる。しかし、全画素読み出しをするに
は各情報蓄積用コンデンサＣ₁ 、Ｃ₂ から独立して信号
を読み出すようにする関係上、図４に示すように、出力
トランジスタ１７₁ 、１７₂ を各情報蓄積用コンデンサ
Ｃ₁ 、Ｃ₂ 毎に設けなければならないのである。

【０００９】ところが、このような固体撮像装置は、Ｈ
ＤＴＶ対応の高画素固体撮像装置に適用することは少な
くとも現在の技術水準では難しい。というのは、高画素
固体撮像装置では水平ピッチを小さくする必要があり、
各コンデンサに対応して設けるトランジスタの数を多く
することが制約されるし、動作速度を相当に高くするこ
とが必要となるからである。そこで、本願発明者は図４
に示す回路を一部変更してコンデンサＣ₁ とＣ₂ に蓄積
された信号電荷を混合して取り出すようにしたものを用
いてフィールド読み出しやフレーム読み出しを行うよう
にする試みをした。

【００１０】フィールド読み出しは、上下に隣接する２
つの画素の信号を同時に読み出してそれを垂直レジスタ
で混合して垂直方向に転送するものである。そして、偶
数フィールドと奇数フィールドとで同時に読み出され混
合される上下に隣接する２つの画素の組み合せが異なる
ようになっている。このフィールド読み出しでは、セン
サでの信号電荷蓄積時間が１／６０秒で、感度及びダイ
ナミックレンジは２画素分ある。

【００１１】それに対してフレーム読み出しは、偶数フ
ィールドでは垂直方向に偶数番目の画素のみを読み出
し、奇数フィールドでは垂直方向に奇数番目の画素を読
み出す。このフレーム読み出しでは信号電荷蓄積時間が
２フィールド（＝１／３０秒）であり、各信号電荷はセ
ンサ１個分で、感度はフィールド読み出しの場合と同じ
だが、ダイナミックレンジがフィールド読み出しのそれ
の２分の１になる。勿論、垂直方向の解像度が高い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フレーム読
み出しは垂直方向の解像度が高いが、各信号電荷がセン
サ１個分となりダイナミックレンジがフィールド読み出
しの場合の２分の１にしかならないという問題があっ
た。というのは、フレーム読み出しの場合、蓄積用コン
デンサＣ₁ とＣ₂ のうちの一方にのみ信号が書き込ま
れ、他方の信号蓄積量が０となるので、信号蓄積用コン
デンサＣ₁ 、Ｃ₂ から混合して読み出したとき出力が平
均化されて２分の１になってしまうからである。

【００１３】本発明はこのような問題点を解決すべく為
されたものであり、水平及び垂直方向にマトリックス状
に二次元配置された複数画素の各画素毎に形成され入射
光量に応じた信号電荷を増幅して出力する増幅手段を有
する受光部と、垂直方向の画素の選択をする垂直走査手
段と、垂直ライン毎に設けられると共に前記増幅手段の
増幅出力に含まれる雑音を除去する雑音除去回路と、垂
直方向の隣接する画素の信号電荷に応じた前記雑音除去
回路の出力をそれぞれを蓄積する第１及び第２のコンデ
ンサと、該コンデンサに読み出された一水平ライン分の
画素の信号を所定の順序で水平信号線に読み出す水平走
査手段とを有する固体撮像装置において、フレーム読み
出しを、フィールド読み出しをした場合と同じダイナミ
ックレンジで行うことができるようすることを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明固体撮像装置は、
フレーム読み出し時には同一画素の出力を同じ量ずつ前
記第１及び第２のコンデンサに同時に蓄積するようにし
たことを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明固体撮像装置によれば、フレーム読み出
し時には同一画素の信号が第１と第２のコンデンサの双
方に同時に書き込まれるようにしたので、第１と第２の
コンデンサの双方に蓄積された信号を読み出すべく混合
したとき、信号量がフィールド読み出しの場合の２分の
１となることはなく、フィールド読み出しのダイナミッ
クレンジと同じダイナミックレンジを得ることができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明固体撮像装置を図示実施例に従
って詳細に説明する。図１は本発明固体撮像装置の一つ
の実施例の回路図、図２は動作を説明するためのタイム
チャートである。先ず、図１に示す固体撮像装置の出力
回路構成について１つの垂直信号線２ｋの信号を出力す
る部分に着目して説明する。尚、各画素から信号電荷を
読み出して垂直信号線へ出力するフローティングディフ
ュージョンアンプ５の回路構成は図４に示す固体撮像装
置のそれと同じであり、既に説明済みなので重ねて説明
はしない。

【００１７】Ｑ１、Ｑ２はφ_s 到来時にノードＮ１（垂
直信号線の出力点）をバイアスする（非到来時にはノー
ドＮ１を拘束しない）ところの直列接続されたＭＯＳト
ランジスタであり、Ｑ１は信号φ_s を受けるｐチャンネ
ルＭＯＳトランジスタ、Ｑ２はノードＮ１（垂直信号線
の出力点）をバイアスするｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタであり、Ｖ_GG1 はバイアス用電圧である。Ｑ１とＱ
２はφ_s の到来時にノイズ除去用コンデンサＣｃを通し
てバッファＢへの信号の伝送を許容する。該コンデンサ
Ｃｃの一端はＱ１とＱ２との接続点に接続されており、
他端はバッファＢの入力端子に接続されている。Ｎ２は
バッファＢ入力端子である。

【００１８】Ｑ３はクランプトランジスタで、クランプ
指令信号φ_clp を受けるとノードＮ２を所定のクランプ
電圧Ｖ_clp にクランプする。Ｑ４、Ｑ５はサンプルホー
ルド信号ＳＨ１、ＳＨ２により制御されてバッファＢか
らの信号をサンプルホールド用コンデンサＣ１、Ｃ２に
伝送するＭＯＳトランジスタである。具体的には、ＭＯ
ＳトランジスタＱ４はサンプルホールド信号ＳＨ１を受
けてバッファＢの出力信号をコンデンサＣ１に伝送す
る。ＭＯＳトランジスタＱ５はサンプルホールド信号を
ＳＨ２を受けてバッファＢの出力信号をコンデンサＣ２
に伝送する。

【００１９】Ｑ６、Ｑ７は水平走査回路１９からの水平
走査信号φ_k を受けてコンデンサＣ１、Ｃ２からの信号
を読み出すＭＯＳトランジスタ、Ｑ８はコンデンサＣ
１、Ｃ２をリセットするＭＯＳトランジスタ、Ｑ９はＭ
ＯＳトランジスタＱ６、Ｑ７と水平信号線との間に介在
せしめられたソースホロアトランジスタである。Ｑ１０
は水平信号線に接続されたＭＯＳトランジスタである。
尚、水平走査回路１９の下部には水平走査信号φ_k 、φ
_k+1 のタイムチャートを示した。２０は電子シャッタ走
査回路で、現在垂直走査回路８によって読み出されてい
る水平ライン（例えばｎ番目）よりも垂直走査方向にシ
ャッタ時間に対応した本数分離した水平ライン（例えば
ｍ番目）を選択してリセットするものである。シャッタ
機能が必要でないときは不要である。

【００２０】次に、回路動作を図２に従って説明する。
先ず、フィールド読み出しをする場合の動作を説明す
る。図２はｎ番目のラインが選択され、次にｎ＋１番目
のラインが選択される場合の動作を示しており、Ｖ_n は
ｎ番目のラインを選択する信号、Ｖ_n+1 はｎ＋１番目の
ラインを選択する信号、同様にＶ_m はｍ番目、Ｖ_m+1 は
ｍ＋１番目のラインを選択する信号、そして、Ｖ_other
はそれ以外の水平ラインを選択する信号（即ち、その他
の選択信号）である。

【００２１】Ｓ_out はノードＮ１に読み出された信号、
Ｖ_sub は固体撮像装置の基板ｓｕｂに欠ける電圧（図１
には現われない）で、これが「ロウ」レベルになると選
択画素の信号電荷を捨てることができる。即ち、空の状
態をつくることができる。φ_s は画素からの信号Ｓ_out
をコンデンサＣｃ経由でバッファＢへ伝送させる信号
で、これが「ハイ」のときのみ信号Ｓ_out の伝送（読み
出し）が可能である。φ_clp はバッファＢの入力側をク
ランプする信号、ＳＨ１、ＳＨ２はサンプルホールド信
号である。

【００２２】Ｈブランキング期間内の期間ｔ２で、非選
択ラインの信号Ｖをすべて「ロウ」にする。即ち、選択
されたラインであるｎラインを選択する信号Ｖ_n のみ
「ハイ」になり、Ｖ_n+1 、Ｖ_m 、Ｖ_m+1 、Ｖ_other は
「ロウ」になる。そして、期間ｔ２においてはφ_s が
「ハイ」になるので、ｎラインの信号がノードＮ１に読
み出される。そして、期間ｔ２において読み出したその
信号をＭＯＳトランジスタＱ３によりクランプする。こ
のクランプしたノード２の電位が基準電位となる。

【００２３】次に、期間ｔ３でＶ_sub を「ロウ」にして
選択画素の信号を捨てる。信号電荷を空（から）にして
ノイズ成分を得ることができるようにするためである。
尚、電子シャッタのためｍ番目の画素についてのリセッ
トもこの期間ｔ３で行う。即ち、Ｖ_m も「ロウ」にな
る。次に、期間ｔ４において空の信号電荷を読み出し、
バッファＢを介してコンデンサＣ１に信号を蓄積する。
その結果、コンデンサＣ１にはノイズ成分を取り除いた
信号成分が書き込まれた状態になる。これで、コンデン
サＣ１への水平ラインｎの画素の信号の読み出しが完了
したことになる。尚、電子シャッタ走査回路２０の働き
により、水平ラインｍに対して期間ｔ３にＶ_m を印加し
て電子シャッタのためのリセットを行うと、水平ライン
ｍからはこのリセット後読み出すまでの間に蓄積された
信号電荷が読み出されることになる。従って、シャッタ
時間は読み出されている水平ラインとリセットされてい
る水平ラインとの間の水平ライン数に応じた値になる。

【００２４】次に、期間ｔ５において選択ラインをｎか
らｎ＋１に切換える。具体的には、選択されていたライ
ンｎの選択信号Ｖ_n は期間ｔ５中も「ハイ」のままだ
が、期間ｔ５の経過と共に「ロウ」に立ち下る。また、
次に選択されるラインｎ＋１及びその他のラインｎ
_other の選択信号Ｖ _n+1 、Ｖ_other は期間ｔ５の開始と
共に立ち上がり、Ｖ_n+1 は期間ｔ５の経過後も「ハイ」
の状態を保つ。一方、それ以外のＶ_other 等はＶ_n と同
様に期間ｔ５の経過と共に立ち下る。

【００２５】今度は期間ｔ６〜ｔ８におい
て、ｎ＋１ラインの信号がコンデンサＣ２に書き込まれ
る。これは期間ｔ２〜ｔ４においてのｎラインの信号を
コンデンサＣ１に書き込んだのと同じ動作で行われる。
尚、電子シャッタのためにリセットされる水平ラインも
ラインｍからラインｍ＋１に切換わるので、リセット期
間ｔ７にＶ_m+1 が立ち上る。そして、コンデンサＣ１、
Ｃ２に書き込まれた信号は水平走査期間中にパルスφ_k
により水平信号線に読み出される。その時、ラインｎか
らの信号とラインｎ＋１からの信号は混合される。

【００２６】次に、フレーム読み出しをする場合の動作
を図３に従って説明する。フレーム読み出しの場合はフ
ィールド読み出しのときにサンプルホールド信号ＳＨ１
によってコンデンサＣ１にラインｎの信号を書き込んだ
期間ｔ４に、サンプルホールド信号ＳＨ２も発生させて
ラインからの信号をコンデンサＣ２の方にも同じ量ずつ
書き込む。即ち、ラインｎからの信号をコンデンサＣ１
だけでなくコンデンサＣ２にも同時に書き込むのであ
る。次に、フィールド読み出しのときサンプルホールド
信号ＳＨ２によってラインｎ＋１からの信号のコンデン
サＣ２への書き込みを行っていた期間ｔ８には、サンプ
ルホールド信号ＳＨ２を「ハイ」にしないのである。こ
のように、本固体撮像装置においては、サンプルホール
ド信号ＳＨ１、ＳＨ２の印加の仕方によってフィールド
読み出しにしたり、フレーム読み出しにしたりするので
ある。

【００２７】尚、フィールド読み出しの場合にＶ_sub を
「ロウ」にして選択画素の信号電荷を捨てていた期間で
あるｔ７において２点鎖線に示すように信号電荷を捨て
ることは行わないようにすることができる。なぜなら
ば、ｎ＋１のラインを読み出さないから相関二重サンプ
リングのために信号と空（から）にすることも必要ない
からである。そして、その信号を捨てるという動作を行
わないようにした場合には、信号蓄積時間は２フィール
ド分になり、その結果、感度は２倍になる。このよう
に、感度を２倍にすることも可能である。

【００２８】ところで、コンデンサＣ１、Ｃ２に書き込
まれた信号は、水平走査期間中にパルスφ_k により水平
信号線に読み出されることフィールド読み出しの場合と
全く同じである。そのとき、ラインｎからの信号とライ
ンｎ＋１からの信号とが混合されるが、一般の電荷結合
素子による固体撮像装置の従来のフレーム読み出しの場
合のように一方のコンデンサＣ２の蓄積電荷が空（か
ら）になるということなく、コンデンサＣ１とＣ２の双
方に同じ量の信号電荷が蓄積されているので、混合によ
って出力レベルが２分の１に減少するということがな
い。即ち、バッファＢがパワー不足にならないようにさ
え設計しておけば、同じ期間内に２つのコンデンサＣ
１、Ｃ２に同じ量で且つ画素の明るさに対応した充分な
量ずつ電荷を蓄積することができる。

【００２９】尚、本固体撮像装置の画素からの信号を垂
直信号線に読み出す際に増幅する増幅手段としては図４
に示す固体撮像装置と同様にフローティングディフュー
ジョンアンプ５を用いることができるが、そのほかにも
例えば特願平２−２７４２１９号により本願出願人会社
が提案した変換効率の高い転送電荷増幅装置も用いるこ
とができる。

【００３０】この転送電荷増幅装置は、変換効率を高め
るため、転送電荷を通す埋込チャンネル領域の表面にこ
れと逆導電型の表面チャンネル領域を形成し、上記埋込
チャンネル領域により分離せしめられたソース・ドレイ
ン領域と上記表面チャンネル領域により接合ゲート型Ｆ
ＥＴを形成し、上記表面チャンネル領域上に絶縁された
ゲート電極を形成し、該ゲート電極と上記接合ゲート型
ＦＥＴのソース領域とを電気的に接続して正帰還できる
ようにしたものである。

【００３１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明固体撮像装
置は、フレーム読み出し時には同一画素の出力を同じ量
ずつ前記第１及び第２のコンデンサに同時に蓄積するよ
うにしたことを特徴とするものである。従って、本発明
固体撮像装置によれば、本発明固体撮像装置によれば、
フレーム読み出し時には同一画素の信号が第１と第２の
コンデンサの双方に同時に書き込まれるようにしたの
で、第１と第２のコンデンサの双方に蓄積された信号を
読み出すべく混合したとき、信号量が２分の１となるこ
とはなく、フィールド読み出しのダイナミックレンジと
同じダイナミックレンジを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明固体撮像装置の一つの実施例を示す回路
図である。

【図２】図１の固体撮像装置のフィールド読み出しの場
合の動作を示すタイムチャートである。

【図３】図１の固体撮像装置のフレーム読み出しの場合
の動作を示すタイムチャートである。

【図４】背景技術を示す回路図である。

【符号の説明】

Ｃ１第１のコンデンサＣ２第２のコンデンサＣｃ、Ｑ₃ 、Ｂ雑音除去回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水平及び垂直方向にマトリックス状に二
次元配置された複数画素の各画素毎に形成され、入射光
量に応じた信号を増幅して出力する増幅手段を有する受
光部と、上記受光部の各々の上記増幅手段の出力信号を受けるよ
うに、上記受光部の各垂直列毎に設けられた垂直信号線
と、上記各垂直信号線へ上記増幅手段を通じて上記信号を出
力する動作を行わせる上記受光部の水平列を選択する垂
直走査手段と、上記各垂直信号線毎に設けられ、上記増幅手段から該垂
直信号線に出力された上記信号からそれに含まれる雑音
を除去する雑音除去回路と、上記各垂直信号線に対応して設けられ、上記雑音除去回
路の出力信号を第１及び第２のサンプルホールド信号に
より制御される各別のスイッチング素子越しに受けて蓄
積するサンプルホールド用の第１及び第２のコンデンサ
と、上記第１及び第２のコンデンサからなる各コンデンサ対
毎に設けられ、水平走査回路により制御されて該第１及
び第２のコンデンサに蓄積された信号を水平信号線へ伝
送する水平ゲートスイッチング素子と、を少なくとも有し、フレーム読み出し時には上記第１及び第２のサンプルホ
ールド信号を同時に発生して該サンプルホールド信号に
より制御される上記各スイッチング素子を通じて同一画
素からの信号を同じ量ずつ前記第１及び第２のコンデン
サに同時に蓄積するようにしたことを特徴とする固体撮
像装置
【請求項２】フィールド読み出し時には上記第１のサ
ンプルホールド信号を発生して該第１のサンプルホール
ド信号により制御されるスイッチング素子により上記垂
直走査回路による選択に係る一つの水平列に属する画素
からの信号を第１のコンデンサに蓄積するようにし、そ
の後に上記垂直走査回路により次の水平列が選択された
状態で第２のサンプルホールド信号を発生してその該第
２のサンプルホールド信号により制御されるスイッチン
グ素子によりその水平列に属する画素からの信号を第２
のコンデンサに蓄積するようにしてなることを特徴とす
る請求項１記載の固体撮像装置