JP3827146B2 - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図った固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図12は従来の固体撮像装置を示す構成図、図13は図12の固体撮像装置を構成する1つの画素周辺を示す回路図、図14は図13に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
図12に示した固体撮像装置102は、具体的にはCMOS光センサーであり、半導体基板上に形成された画素部104、V選択手段106、H選択手段108、タイミングジェネレータ110(TG)、S/H・CDS部112、定電流部114Aなどを含んでいる。画素部104には、多数の画素がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成した電気信号が、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきV選択手段106およびH選択手段108により順次選択され、水平信号線116から出力部118を通じて出力される構成となっている。
【0003】
図13に示したように、画素120は、フォトダイオード122、電荷量に応じた大きさの電圧を生成する電荷電圧変換手段であるフローティングディフュージョン部124(FD部124)、転送パルスが供給されたときフォトダイオード122をFD部124に接続する転送ゲート126、リセットパルスが供給されたときFD部124を電源Vddに接続するリセットゲート128、FD部124の電圧を出力する増幅トランジスター130を含んで構成されている。
【0004】
フォトダイオード122は、アノードがグランドに接続され、カソードは、転送ゲート126を構成するN型のMOSFET(MOS電界効果トランジスター)のソースに接続されている。同MOSFETのドレインはFD部124に接続され、またゲートにはV選択手段106より転送パルス132が供給される。リセットゲート128もN型のMOSFETにより構成され、そのソースはFD部124に、ドレインは電源Vddにそれぞれ接続され、ゲートにはV選択手段106よりリセットパルス134が供給される。
【0005】
増幅トランジスター130を構成するN型のMOSFETのゲートはFD部124に接続され、ドレインは電源Vddに接続されている。増幅トランジスター130と垂直信号線136との間には、N型のMOSFETから成るアドレスゲート138が介在し、そのゲートにはV選択手段106からアドレスパルス140が供給される。そして、増幅トランジスター130のソースはアドレスゲート138のドレインに接続され、アドレスゲート138のソースは垂直信号線136に接続されている。
【0006】
垂直信号線136は、マトリクス状に配列された画素120の各列ごとに設けられ、同一の列に属する画素120のアドレスゲート138のソースはすべて対応する垂直信号線136に接続されている。垂直信号線136の一端は、画素部104の外に配置された定電流部114Aにおいて定電流源114に接続され、この定電流源114により垂直信号線136に一定の電流が流されている。垂直信号線136の他端は、画素部104の外に配置されたS/H・CDS部112に接続されている。
【0007】
S/H・CDS部112には、各垂直信号線136ごとにS/H・CDS回路146が設けられている。各S/H・CDS回路にはタイミングジェネレータ110から第1および第2のサンプリングパルス148、150が供給されて、増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力した、フォトダイオード122が生成した信号電荷にもとづきFD部124が生成した電圧(光検出電圧)、およびリセット時のFD部124の電圧(オフセット電圧)をそれぞれ保持するとともに、2つの電圧の差に対応する電圧を出力する。なお、S/H・CDS回路146にオフセット電圧を保持させる場合は第1および第2のサンプリングパルス148、150が同時に供給され、光検出電圧を保持させる場合は第2のサンプリングパルス150のみが供給される。
【0008】
各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミング信号にもとづいて動作するH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じて出力される。出力部118は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
【0009】
次に、このように構成された固体撮像装置102の動作について、図14をも参照しつつ、画素120における動作を中心に説明する。
V選択手段106はタイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素部104の行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140は、各画素120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンして増幅トランジスター130が垂直信号線136に接続される。
【0010】
次に、V選択手段106はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電荷(電子)が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。なお、増幅トランジスター130は、アドレスゲート138がオンしているときは、定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧が増幅トランジスター130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0011】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ110は垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第1および第2のサンプリングパルス148、150を出力し、増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力されたオフセット電圧を保持させる。
【0012】
その後、タイミングT4において、V選択手段106は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122がタイミングT4までに受光して蓄積した電荷(電子)をFD部124に転送させる。FD部124は転送された電荷量に応じた電圧を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を、低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0013】
そして、タイミングジェネレータ110はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力する。このとき、各S/H・CDS回路146は、増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している電圧を保持するとともに、先に保持しているオフセット電圧と、新たに保持した光検出電圧との差を算出して、オフセット分を除去した、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。
なお、上記オフセット分は画素120ごとに大きさが異なるため、このようにS/H・CDS回路146によりオフセット分を除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを除去することができる。
【0014】
各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
V選択手段106はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
【0015】
以降、V選択手段106は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素120の各行を順次選択する。そして、各行ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段106がすべての行を選択したところで、すべての画素120により生成された画像1枚分の画像信号が出力されることになる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような固体撮像装置102では、フォトダイオード122が生成した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフォトダイオード122の飽和レベルまでの範囲の光量しか検出することができなかった。したがって、たとえば被写体の暗い部分に絞りやシャッター速度を合わせた場合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード122が飽和してしまうことから、全体がたとえば真っ白に撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
【0017】
この問題の解決を図るべく、特開平11−313257号公報には、入射光量の対数に対応した信号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した固体撮影素子が開示されている。しかし、この固体撮影素子では、コンデンサーを使用していることから、その充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点がある。また、構造的に、雑音が少ないという長所を有している埋め込みフォトダイオード(フォトダイオード表面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばP+層が形成されている)を使用できないため、画質が劣るという問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いため、小型化が困難である。
【0018】
また、シャッター速度、したがってフォトダイオード122における電荷蓄積時間を変え、フォトダイオード122が飽和しないような短い時間と、充分に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することでダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られているが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモリーが必要なために装置が大型化し、またコスト高となってしまう。そして、感光期間の異なる2つの信号を合成するので、動く被写体への適用が困難である。さらに、画素部の隣接行間で電荷蓄積時間を変えることにより、メモリーを不要にする技術も知られているが、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要であるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さらに、2画素で1つの信号を生成するので解像度が劣化する。
【0019】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広く、かつ小型、低コスト、高性能の固体撮像装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、第1のタイミング制御手段と、第2のタイミング制御手段と、第3のタイミング制御手段と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり、前記第1のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)前記画素の行を順次選択し、(ロ)選択行各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせそのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させ、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませ、前記第1の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を出力し、前記第2のタイミング制御手段は、前記第1のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、前記第3のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、(ロ)新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、前記第2の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力することを特徴とする。
【0021】
本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第1のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第2のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第1のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第3のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0022】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0023】
また、本発明は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記フォトダイオードから溢れて前記電荷電圧変換手段に移動するようにした固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込む第1のタイミング制御ステップと、前記第1の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、前記第1のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第2のタイミング制御ステップと、現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第3のタイミング制御ステップと、前記第2の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【0024】
本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第1のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第2のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第1のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第3のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0025】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0026】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図1は本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素周辺を示す回路図、図2は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図3は図1の画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。図1、図2において図12、図13と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。以下では、これらの図面を参照して本発明による固体撮像装置の一例について説明し、同時に本発明による固体撮像装置の駆動方法の実施の形態例について説明する。
【0027】
図1、図2に示したように、実施の形態例の固体撮像装置2では、マトリックス状に画素120が並べられた画素部104の各画素列に対して、S/H・CDS回路4(第2の演算手段)が新たに設けられている。S/H・CDS部回路4は、タイミングジェネレータ6(図2)からのサンプリングパルス8および第1のサンプリングパルス148にもとづいて、垂直信号線136に出力されている電圧を保持し、異なるタイミングで保持した2つの電圧の差を算出し、オフセット分を除去して信号成分を出力する。なお、S/H・CDS部4は、図2に示したS/H・CDS部10に配置されている。
【0028】
本実施の形態例では、図2に示したように、S/H・CDS部10とともにH選択手段12が新たに設けられ、S/H・CDS部10のS/H・CDS回路4の出力信号は、H選択手段12により順次選択され水平信号線14を通じ出力部16から出力される。出力部16は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
【0029】
タイミングジェネレータ6は、従来同様、V選択手段7、H選択手段108、S/H・CDS部112にタイミングパルスを供給するとともに、上記S/H・CDS部10およびH選択手段12にタイミングパルスを供給する。本実施の形態例ではタイミングジェネレータ6、V選択手段7が本発明に係る第1から第3のタイミング制御手段を構成している。
【0030】
定電流源114(図1)は、詳しくは、一例として閾値電圧Vthが0.45VのMOSトランジスター114Bにより構成され、そのゲートは0.8Vの電源線114Cに、ソースはグランドにそれぞれ接続され、垂直信号線136が0.4V以上の場合、約10μAの定電流を垂直信号線136に流す。S/H・CDS回路4、146の入力部にはコンデンサーが直列に挿入されているので、S/H・CDS回路4、146側に直流電流が流れることはない。
【0031】
次に、本実施の形態例の固体撮像装置2の動作について、図3をも参照しつつ説明する。なお、図3において、図13に示したタイミングに相当するタイミングには同じ符号が付されている。
V選択手段7は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづき画素部104の画素行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140(本発明に係る制御パルス)は、各画素120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンして増幅トランジスター130(本発明に係るバッファー手段)が垂直信号線136に接続される。このとき、増幅トランジスター130は定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧が増幅トランジスター130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0032】
その後、タイミングジェネレータ6は、本発明に係る第2のタイミング制御として動作し、タイミングT1aで、S/H・CDS部4に対して第2のサンプリングパルス8(本発明に係る制御パルス)を出力し、増幅トランジスター130を通じて垂直信号線136に出力されているFD部124の電圧、すなわち本発明に係る第2の電圧(以下、広D電圧ともいう)を保持させる(本発明に係る第2のタイミング制御ステップ)。この電圧がどのような電圧であるかについては後に詳しく説明する。
【0033】
次に、V選択手段7はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している信号電荷が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧、すなわちオフセット電圧(本発明に係る第3の電圧)が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。
【0034】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路146(本発明に係る第1の演算手段)に第1および第2のサンプリングパルス148、150を、S/H・CDS回路4に第1のサンプリングパルス148および第2のサンプリング8をそれぞれ出力し、増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【0035】
その後、タイミングT4において、V選択手段7は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122が、前回の転送パルス132の後、タイミングT4までに受光して蓄積した信号電荷をFD部124に転送させる。FD部124は転送された信号電荷の量に応じた電圧、すなわち通常光検出電圧(本発明に係る第1の電圧)を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0036】
そして、タイミングジェネレータ6はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力し、このとき増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各S/H・CDS回路146は、上述のように保持した通常光検出電圧およびオフセット電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォトダイオード122の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
【0037】
一方、S/H・CDS部10では、各垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路4が、上述のように保持した広D電圧とオフセット電圧との差を算出し、オフセット分を除去して、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を通じ画像信号として出力される。
【0038】
V選択手段7は、次のサイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセットパルス134を出力する。これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している信号電荷が排除される。
V選択手段7はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
【0039】
以上の動作において、V選択手段7およびタイミングジェネレータ6は本発明に係る第1のタイミング制御手段として動作して、タイミングT1で選択行の画素にアドレスパルス140を供給し、タイミングT2でFD部124をリセットさせ、タイミングT4でフォトダイオード122が生成した信号電荷をFD部124に転送させて、通常光検出電圧を垂直信号線に出力させており、そして、このとき本発明に係る第1のタイミング制御ステップが実行されている。
【0040】
つづいて、V選択手段7はタイミングジェネレータ6とともに本発明に係る第3のタイミング制御手段として動作し、上記タイミングT1〜T6まで選択していた選択行より、一例として5行進んだ画素行(FD電子シャッター行)の各画素に対して、タイミングT7において、リセットパルス134を出力し、FD部124をリセットする(本発明に係る第3のタイミング制御ステップ)。
【0041】
図4はFD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図であり、画素部104を模式的に示し、各四角形20が個々の画素を表している。そして、たとえば選択行22が上記タイミングT1〜T6まで選択されていた行であり、FD電子シャッター行24が、タイミングT7において、上述のように各画素のFD部124にリセットパルス134が供給される行である。
【0042】
ここで、FD電子シャッター行24は、選択行22につづく4行が選択された後、選択されて選択行となり、この選択行(FD電子シャッター行24)において上述したタイミングT1〜T6で行われた選択行22に関する動作と同じ動作が行われる。したがって、タイミングT7でFD電子シャッター行24の画素を構成するFD部124をリセットすることは、画素行(FD電子シャッター行24)が後にV選択手段7により選択されるのに先だち、この画素行の各画素のFD部124をリセットしていることになる。
【0043】
以上のような選択行22およびFD電子シャッター行24に関する動作は、選択行22およびFD電子シャッター行24を矢印Aの方向に1行ずつ順次シフトさせつつ行われ、V選択手段7がすべての行を選択したところで、すべての画素120により生成された1枚分の画像信号が出力されることになる。
【0044】
次に、タイミングT1aでサンプリングされた上記広D電圧、および上記FD電子シャッター行24におけるFD部124のリセットについて詳しく説明する。
フォトダイオード122への入射光量が多い場合、フォトダイオード122が受光して生成した過剰な信号電荷は転送ゲート126を越えてFD部124へと溢れ、さらにFD部124も溢れて信号電荷はリセットゲート128を越えて電源Vddへと流れ込む。
【0045】
このとき、FD部124の電圧は、電源Vddに流出する信号電荷による電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード122が生成する信号電荷量は小さく、MOSFETによるリセットゲート128のチャネルに流れる電流はナノアンペアのオーダーの弱い電流であり、リセットゲート128はサブスレッショルド領域で動作するので、FD部124の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、このFD部124の電圧が増幅トランジスター130を通じて出力され、S/H・CDS回路4に供給されるので、入射光量が過大な場合、タイミングT1aでS/H・CDS回路4が保持する広D電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
【0046】
しかし、本実施の形態例では、FD電子シャッター行24の各画素のFD部124は、上述のように、選択されるのに先立ち、5行前の段階であらかじめリセットされる。したがって、FD部124のリセットの後、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はFD部124に次第に蓄積するが、選択行が5行シフトした段階で、この間にFD部124に蓄積した信号電荷の量に比例した大きさの広D電圧が、S/H・CDS回路4に取り込まれる。このように、本実施の形態例では、FD部124における電荷蓄積時間が短くなるので、入射光量が過大でフォトダイオード122から信号電荷が溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧(広D電圧)を得ることができる。
【0047】
よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記通常光検出電圧によりS/H・CDS回路146が生成し出力部118を通じて出力される信号を用い、入射光量が過大な場合は広D電圧によりS/H・CDS回路4が生成し出力部16より出力される信号を用いて画像信号を生成することにより、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し大きさが直線的に変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0048】
なお、入射光量がさらに大きいときは、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はリセット後のFD部124でもタイミングT1aの前の段階で溢れ、上述のように、リセットゲート128を通じて流れるため広D電圧は入射光量の対数に対応した値となる。したがって、入射光量に対し大きさが比例的に変化する画像信号は得られないものの、入射光量に応じた大きさの画像信号が得られ、この場合にも広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0049】
また、本実施の形態例では、上述のように出力部16、118から同時に信号を出力できるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理における自由度が高い。
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素部104の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。さらに、画素120の構成は従来と同じであるから、画素120のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、出力部16の出力が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオード122を使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【0050】
なお、本実施の形態例では、図4に示したように、FD電子シャッター行22は選択行22より5行先行しているとしたが、これらの行の間隔を種々に変更することで、FD部124における電荷蓄積時間を変更することができ、入射光量が過大な場合に入射光量に対し直線的に変化する広D電圧を得ることができる光量の範囲を調整することができる。上記行間隔は狭くするほど、入射光量に対し直線的に変化する広D電圧を得ることができる光量の範囲は広くなり、たとえば、1フレームが500の画素行で構成されている場合、FD電子シャッター行24を選択行22の次の行とすると、FD電子シャッター行24でFD部124のリセットを行わなかった場合に比べ500倍に拡大する。
【0051】
また、本実施の形態例では、電子がキャリアであるとしたが、各ゲートなどを構成するMOSFETとしてP型のMOSFETを用い、正孔をキャリアとした場合にも、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られる。
そして、ここではタイミングジェネレータを内蔵した場合の実施の形態例を示したが、タイミングジェネレータを外付けとすることも可能である。
【0052】
次に、本発明の第2の実施の形態例について説明する。
図5は第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図、図6は第2の実施の形態例におけるFD電子シャッター行24と選択行22との関係を示す説明図、図7はS/H・CDS回路を詳しく示す回路図、図8は第2の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。図中、図1、図4などと同一の要素には同一の符号が付されている。なお、第2の実施の形態例の全体の構成は図2に示した固体撮像装置2の構成と同じであるため、適宜、図2をも参照する。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第2の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
【0053】
第2の実施の形態例の固体撮像装置は、図6に示したように、FD電子シャッター行24を選択行22の次の行とし、図5に示したように上記実施の形態例を構成するS/H・CDS回路4をS/H・CDS回路146Aで置き換え、さらに、以下に説明するように、オフセット電圧のS/H・CDS回路146Aへの取り込みタイミングの点で上記実施の形態例の固体撮像装置2と異なっている。
【0054】
まず、図7を参照してS/H・CDS回路146について詳しく説明する。
図7に示したように、S/H・CDS回路146は、トランジスター56、58、コンデンサー60、62、ならびに水平選択トランジスター64を含んで構成されている。トランジスター56のドレインは垂直信号線136に、ソースはコンデンサー60の一端にそれぞれ接続されており、トランジスター56のゲートにはタイミングジェネレータ6より第2のサンプリングパルス150が供給される。また、トランジスター58のドレインはバイアス電圧源Vbに、ソースはコンデンサー60の他端にそれぞれ接続されており、ゲートにはタイミングジェネレータ6より第1のサンプリングパルス148が供給される。なお、上記第1および第2のサンプリングパルス148、150はS/H・CDS部112に配置された全S/H・CDS部146のトランジスター56、58のゲートに対して共通に供給される。
【0055】
コンデンサー60の上記他端とグランドとの間にはコンデンサー62が接続され、コンデンサー60の上記他端にはさらに水平選択トランジスター64のドレインが接続されている。水平選択トランジスター64のソースは水平信号線116に接続されており、ゲートにはH選択手段108より選択パルスがS/H・CDS回路146ごとに個別に供給される。
【0056】
このような構成において、第1および第2のサンプリングパルス148、150が供給されると、トランジスター56、58はともにオンし、これにより、垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。
一方、第2のサンプリングパルス150のみが供給されると、トランジスター56がオンし、垂直信号線136に出力されている光検出電圧が、トランジスター56およびコンデンサー60を通じてコンデンサー62に印加される。ここで、コンデンサー60はオフセット電圧に対応する電圧を保持しているので、コンデンサー62は、この電圧を差し引いた電圧に対応する電圧を保持することになる。
【0057】
そして、H選択手段108は、垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の水平選択トランジスター64に順次、選択パルスを出力し、水平選択トランジスター64を順次オンさせて、コンデンサー62が保持している電圧を順番に水平信号線116に出力させる。
なお、S/H・CDS回路146Aは本実施の形態例ではS/H・CDS回路146と同一の構成となっている。
【0058】
次に、広D電圧、オフセット電圧、通常光検出電圧のS/H・CDS回路146、146Aへの取り込みを中心に、図8をも参照しつつ動作を説明する。
図8に示したタイミングチャートが、図3に示したタイミングチャートと異なるのは、第1および第2のサンプリングパルス148A、150AはS/H・CDS回路146AにタイミングT3では供給されず、タイミングT8で供給され、またタイミングT6aでアドレスパルス140が供給される点である。これら以外の点では図3と同じであり、また関連する動作も同じであるため、ここでは、これらのタイミングにおける動作を中心に説明する。
【0059】
上述のようにタイミングT3では、第1および第2のサンプリングパルス148A、150AはS/H・CDS回路146Aには供給されず、タイミングジェネレータ6はS/H・CDS回路146に対してのみ第1および第2のサンプリングパルス148、150を供給して垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56、58がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。
【0060】
その後、S/H・CDS回路146には固体撮像装置2の場合と同様に、タイミングT5で第2のサンプリングパルス150が供給され、S/H・CDS回路146は通常光検出電圧を保持する。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56がオンし、通常光検出電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー62が保持し、この電圧は後にトランジスター64を通じて水平信号線116に出力される。
【0061】
そして、V選択手段7はタイミングジェネレータ6とともに、本発明に係る第3のタイミング制御手段として動作し、図6に示したFD電子シャッター行24の画素を構成するアドレスゲート138に対してまずタイミングT6aにおいてアドレスパルス140を供給してアドレスゲート138をオンさせ、次に、タイミングT7で固体撮像装置2の場合と同様に、リセットパルス134をリセットゲート128に供給してFD部124をリセットさせる。
【0062】
そして、タイミングT8において、タイミングジェネレータ6は第1および第2のサンプリングパルス148A、150Aを各S/H・CDS回路146Aに出力して垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧(本発明に係る第4の電圧)を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56、58がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。V選択手段7はつづいてタイミングT9においてアドレスパルスを元のローレベルに戻す。
【0063】
その後、現在のFD電子シャッター行24が次のサイクルで選択行となると、タイミングジェネレータ6は、固体撮像装置2の場合と同様に、タイミングT1aで、第2のサンプリングパルス150Aを各S/H・CDS回路146Aに供給して垂直信号線136に出力されている広D電圧を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56がオンし、広D電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー62が保持し、この電圧は後にトランジスター64を通じて水平信号線116に出力される。
以降、選択行22およびFD電子シャッター行24を順次矢印Aの方向に1行ずつシフトさせながら、以上のような動作がくり返される。
【0064】
以上説明したように第2の実施の形態例の固体撮像装置では、S/H・CDS回路146、146Aの両方の回路に対してオフセット電圧が先に供給され、その後、通常光検出電圧および広D電圧がそれぞれ供給される。したがって、S/H・CDS回路146、146Aは、図7に示したように、まったく同じ構成にしてそれぞれ通常光検出電圧および広D電圧からオフセット電圧を差し引いた同極性の電圧を得ることができる。
【0065】
図1に示したS/H・CDS回路4の場合には、上述のようにタイミングT1aでまず広D電圧が供給され、その後、タイミングT3でFD部124のオフセット電圧が供給されるので、S/H・CDS回路4を、S/H・CDS回路146と同じ構成にした場合には、広D電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持されるため、S/H・CDS回路4からは極性が逆の信号が出力されることになる。したがって、S/H・CDS回路4は、出力信号の極性をS/H・CDS回路146と同じとするためには、S/H・CDS回路146とは異なる構成としなければならない。
第2の実施の形態例では、上述のようにS/H・CDS回路146Aは、S/H・CDS回路146と同じ構成でよく、両回路からは同じ極性の信号が出力される。そのため、S/H・CDS回路の設計が容易であり、製造においても有利である。
【0066】
また、第2の実施の形態例では、上述のようにタイミングT7でFD電子シャッター行の画素のFD部124をリセットしてタイミングT8でオフセット電圧をS/H・CDS回路146Aに保持し、その直後に、次の選択行(すなわち上記FD電子シャッター行)の画素からタイミングT1aで広D電圧をS/H・CDS回路146Aに取り込んで、オフセット分を除去した広D電圧に対応する信号を得る。したがって、広D電圧に含まれるKTC雑音などのノイズを効果的に除去することができる。
すなわち、タイミングT7でFD電子シャッター行の画素のFD部124をリセットしたとき、FD部124の電圧(オフセット電圧)は、KTC雑音などの雑音が重畳したものとなっている。その後、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はFD部124に蓄積し、FD部124は対応する電圧を生成するが、この電圧には、上記リセット後の雑音が重畳している。よって、次のサイクルのタイミングT1aで、オフセット電圧に重畳している雑音と同じ雑音が重畳した広D電圧をS/H・CDS回路146Aに取り込み、先にタイミングT8で取り込んでいるリセット直後のオフセット電圧を減じると、雑音成分を確実に除去することができる。
【0067】
なお、第2の実施の形態例では、選択行とFD電子シャッター行とは隣どうしであり両行の位置関係が固定であるため、フォトダイオード122から溢れた信号電荷のFD部における蓄積時間の調整は行えず、入射光量が過大な場合の感度を調整することはできない。しかし、FD電子シャッター行を選択行の次の行とすることで最もダイナミックレンジが広くなるので、FD電子シャッター行をこのように固定することは必ずしも不利とはならない。また、入射光量が過大な場合の感度を固定することは、後段における信号処理が容易になるという点で有利に働く。
【0068】
次に本発明の第3の実施の形態例について説明する。
図9は第3の実施の形態例の動作を示すタイミングチャート、図10は第3の実施の形態例におけるフォトダイオード電子シャッター行、FD電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。図10において図4と同一の要素には同一の符号が付されている。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第3の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
なお、第3の実施の形態例の固体撮像装置の全体の構成および画素の構成は最初の実施の形態例の固体撮像装置2と同じであるため、図1、図2をも適宜参照する。
【0069】
この第3の実施の形態例は、図10に示したように、FD電子シャッター行24とともにフォトダイオード電子シャッター行26を設定し、そしてタイミングジェネレータ6およびV選択手段7によるタイミング制御を変更した点で、上記固体撮像装置2と異なっている。FD電子シャッター行24は、本実施の形態例では、選択行22より4行先行する位置にあり、フォトダイオード電子シャッター行26は選択行22より7行先行する位置にある。
【0070】
本実施の形態例の動作について説明すると、V選択手段7(図2)は、タイミングT1で選択行22の各画素に対してアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。その結果、アドレスゲート138(図1)がオンして増幅トランジスター130が垂直信号線136に接続される。
その後、タイミングジェネレータ6は、タイミングT1aで、S/H・CDS回路4に対してサンプリングパルス8を出力し、増幅トランジスター130を通じて垂直信号線136に出力されている広D電圧を保持させる。
次に、V選択手段7はタイミングT2において選択行22、FD電子シャッター行24、フォトダイオード電子シャッター行26の各行にリセットパルス134を出力する。これにより上記3行の各画素においてリセットゲート128がオンしてFD部124がリセットされる。選択行22では、このリセット状態のFD部124の電圧、すなわちオフセット電圧が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。
【0071】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路146に第1および第2のサンプリングパルス148、150を、S/H・CDS回路4に第1のサンプリングパルス148および第2のサンプリング8をそれぞれ出力し、選択行22の増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【0072】
その後、タイミングT4において、V選択手段7は転送パルス132を選択行22およびフォトダイオード電子シャッター行26の画素を構成する転送ゲートに供給してオンさせ、このタイミングまでにフォトダイオード122が受光して蓄積した信号電荷をFD部124に転送させる。選択行22の各画素のFD部124は通常光検出電圧を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0073】
そして、タイミングジェネレータ6はタイミングT5で、各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力し、このとき増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各S/H・CDS回路146は、上述のように保持した通常光検出電圧からオフセット電圧を差し引き、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
【0074】
一方、S/H・CDS部10では、各S/H・CDS回路4が、上述のように保持した広D電圧からオフセット電圧を差し引きフォトダイオード122の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各S/H・CDS回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を通じ画像信号として出力される。
【0075】
V選択手段7は、次のサイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセットパルス134を選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26に出力する。これにより各行の画素を構成するリセットゲート128がオンしてFD部124がリセットされる。なお、フォトダイオード電子シャッター行26の画素には、タイミングT4において転送パルス132が供給されているので、フォトダイオード電子シャッター行26の画素を構成するフォトダイオード122およびFD部124はこの段階でともにリセット状態となる。
【0076】
V選択手段7はタイミングT6において選択行22の画素に供給していたアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、選択行22の画素を構成するアドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離される。V選択手段7は、以降、このような動作を、選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26を順次矢印A(図10)の方向に1行ずつシフトさせつつ実行する。
【0077】
以上の動作において、図10に示したフォトダイオード電子シャッター行26は、選択行22につづく6行が選択された後、選択されて選択行となり、その段階で上述したタイミングT1〜T6で行われた図10に示した選択行22に関する動作と同じ動作がフォトダイオード電子シャッター行26(新たな選択行22)において行われる。したがって、タイミングT4で、フォトダイオード電子シャッター行26の画素に転送パルス134を供給してフォトダイオード122の信号電荷をFD部124に転送させ、さらにタイミングT5aでリセットパルスを供給してFD部124をリセットすることは、画素行(フォトダイオード電子シャッター行26)が後にV選択手段7により選択されるのに先だって、その画素のフォトダイオード122およびFD部124をリセットしていることになる(本発明に係る第4のタイミング制御ステップ)。ここで、フォトダイオード電子シャッター行26に転送パルスおよびリセットパルスを供給するV選択手段7は、タイミングジェネレーター6と共に本発明に係る第4のタイミング制御手段として動作している。
【0078】
このように、第3の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行26を設定してフォトダイオード122を先行してリセットするので、フォトダイオード122における電荷蓄積時間は、選択行22からフォトダイオード電子シャッター行26までの行数に相当する時間となる。よって、この行数を種々に調整することで、フォトダイオード122における電荷蓄積時間を変更することができ、第1の実施の形態例と同様の効果が得られることに加えて、通常レベルの入射光量に対して感度の調整を行うことが可能となる。
【0079】
なお、この第3の実施の形態例では、FD電子シャッター行24の画素に対してタイミングT2でもリセットパルス134を供給するとしたが、このタイミングではリセットパルスを供給せず、タイミングT5aにおいてのみリセットパルスを供給するようにしてもよく、その場合にも、FD電子シャッター行24が後に選択されるのに備えてあらかじめFD部124をリセットすることができる。また、最初の実施の形態例の場合のように、タイミング6以降のタイミングでFD部124をリセットするようにすることも無論可能である。
ただし、選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26の各行の画素を共通にタイミング制御し、設計を容易にするという点では、FD電子シャッター行24に対して選択行22などと同一のタイミングでリセットパルスを供給する方式とする方が有利である。
【0080】
さらに、第3の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行26の画素に対して、選択行22の画素と同じタイミングで、リセットパルス134および転送パルス132を供給するとしたが、フォトダイオード電子シャッター行26に対するこのようなタイミング制御は、フォトダイオード電子シャッター行26のフォトダイオード122およびFD部124を先行してリセットすることが目的であるから、選択行22とは異なるタイミングでフォトダイオード122およびFD部124をリセットする構成とすることも無論可能である。
【0081】
次に、本発明の第4の実施の形態例について説明する。
図11は、本発明の第4の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。図中、図2と同一の要素には同一の符号が付されている。
本実施の形態例の固体撮像装置34では、図1に示したS/H・CDS部10、112に代えてCDS・AGC部10A、114Aが設けられ、また信号合成・A/D変換部28、通信部30が新たに設けられ、さらに水平信号線116はバスライン116Aに置き換えられている。
【0082】
CDS・AGC部10A、114Aは、図2のS/H・CDS部10、112にAGC(自動利得制御)の機能を加えたものであり、オフセット分を除去した広D電圧および通常光検出電圧に対しレベル調整を行った上でこれらの電圧をそれぞれ出力する。
そして、信号合成・A/D変換部28は、CDS・AGC部10A、114Aからの広D電圧および通常光検出電圧を合成して1つのダイナミックレンジの広い光検出電圧とし、さらにデジタル信号に変換して出力する。このデジタル信号は、H選択手段108により順次バスラインに読み出され、デジタル出力端子32を通じて出力される。
通信部30は、モード制御端子36を通じて入力されるモード制御信号にもとづいて、タイミングジェネレータ6の動作を制御し固体撮像装置34の駆動モードを制御する。
【0083】
従って、第4の実施の形態例の固体撮像装置34では、フォトダイオードへの入射光量が通常レベルの場合の光検出結果と、過大である場合の光検出結果とが合成された状態で出力されるので、外部に信号合成のための回路を設ける必要がない。また、通信部30を通じて固体撮像装置34の動作を種々に制御することができ動作における柔軟性が増す。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第1のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第2のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第1のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第3のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0085】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0086】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じであるから、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第2の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【0087】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第1のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第2のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第1のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第3のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0088】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0089】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、固体撮像装置の構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じでよいため、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第2の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図2】実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図3】図1の画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。
【図4】FD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図である。
【図5】第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図6】第2の実施の形態例におけるFD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図である。
【図7】S/H・CDS回路を詳しく示す回路図である。
【図8】第2の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図9】第3の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図10】第3の実施の形態例におけるフォトダイオード先行リセット行、FD電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。
【図11】本発明の第4の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図12】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図13】図12の固体撮像装置を構成する1つの画素周辺を示す回路図である。
【図14】図13に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
2、34……固体撮像装置、4、146……S/H・CDS回路、6……タイミングジェネレータ、7…V選択手段、10、112……S/H・CDS部、12、108……H選択手段、14、116……水平信号線、16、118……出力部、22……選択行、24……FD電子シャッター行、26……フォトダイオード電子シャッター行、104……画素部、120……画素、136……垂直信号線。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device that aim to expand a dynamic range in light detection.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a block diagram showing a conventional solid-state imaging device, FIG. 13 is a circuit diagram showing the periphery of one pixel constituting the solid-state imaging device of FIG. 12, and FIG. 14 is a timing chart showing the operation of the circuit shown in FIG. is there.
The solid-state imaging device 102 shown in FIG. 12 is specifically a CMOS photosensor, and includes a pixel unit 104, a V selection unit 106, an H selection unit 108, a timing generator 110 (TG), and an S formed on a semiconductor substrate. / H · CDS section 112, constant current section 114A, and the like. In the pixel portion 104, a large number of pixels are arranged in a matrix, and an electric signal generated by detecting light from each pixel is sequentially generated by the V selection unit 106 and the H selection unit 108 based on the timing pulse from the timing generator 110. The selected signal is output from the horizontal signal line 116 through the output unit 118.
[0003]
As shown in FIG. 13, the pixel 120 is supplied with a photodiode 122, a floating diffusion unit 124 (FD unit 124) that is a charge-voltage conversion unit that generates a voltage having a magnitude corresponding to the amount of charge, and a transfer pulse. And a transfer gate 126 for connecting the photodiode 122 to the FD unit 124, a reset gate 128 for connecting the FD unit 124 to the power source Vdd when a reset pulse is supplied, and an amplification transistor 130 for outputting the voltage of the FD unit 124. Has been.
[0004]
The photodiode 122 has an anode connected to the ground and a cathode connected to the source of an N-type MOSFET (MOS field effect transistor) constituting the transfer gate 126. The drain of the MOSFET is connected to the FD unit 124, and the transfer pulse 132 is supplied to the gate from the V selection means 106. The reset gate 128 is also composed of an N-type MOSFET, its source is connected to the FD unit 124, its drain is connected to the power supply Vdd, and the gate is supplied with a reset pulse 134 from the V selection means 106.
[0005]
The gate of the N-type MOSFET constituting the amplification transistor 130 is connected to the FD unit 124, and the drain is connected to the power supply Vdd. An address gate 138 made of an N-type MOSFET is interposed between the amplification transistor 130 and the vertical signal line 136, and an address pulse 140 is supplied from the V selection means 106 to the gate. The source of the amplification transistor 130 is connected to the drain of the address gate 138, and the source of the address gate 138 is connected to the vertical signal line 136.
[0006]
The vertical signal line 136 is provided for each column of the pixels 120 arranged in a matrix, and the sources of the address gates 138 of the pixels 120 belonging to the same column are all connected to the corresponding vertical signal line 136. One end of the vertical signal line 136 is connected to a constant current source 114 in a constant current portion 114A arranged outside the pixel portion 104, and a constant current is passed through the vertical signal line 136 by the constant current source 114. The other end of the vertical signal line 136 is connected to the S / H • CDS unit 112 arranged outside the pixel unit 104.
[0007]
The S / H • CDS section 112 is provided with an S / H • CDS circuit 146 for each vertical signal line 136. The first and second sampling pulses 148 and 150 are supplied from the timing generator 110 to each S / H • CDS circuit, and the signal charge generated by the photodiode 122 output from the amplification transistor 130 to the vertical signal line 136 is added. The voltage (photodetection voltage) originally generated by the FD unit 124 and the voltage (offset voltage) of the FD unit 124 at the time of reset are held, and a voltage corresponding to the difference between the two voltages is output. When the offset voltage is held in the S / H • CDS circuit 146, the first and second sampling pulses 148 and 150 are supplied simultaneously, and when the photodetection voltage is held, only the second sampling pulse 150 is supplied. Is done.
[0008]
The output signal of the S / H / CDS circuit 146 for each vertical signal line 136 is sequentially selected by the H selection means 108 that operates based on the timing signal from the timing generator 110, and is output to the horizontal signal line 116, and is output. 118 is output. Specifically, the output unit 118 includes an amplifier circuit, an AGC circuit, an A / D converter, and the like.
[0009]
Next, the operation of the solid-state imaging device 102 configured as described above will be described focusing on the operation of the pixel 120 with reference to FIG.
The V selection unit 106 operates based on the timing pulse from the timing generator 110, selects a row of the pixel unit 104, and outputs an address pulse 140 (high level) at a timing T1 to the pixels 120 belonging to the selected row. . The address pulse 140 is supplied to the address gate 138 in each pixel 120. As a result, the address gate 138 is turned on, and the amplification transistor 130 is connected to the vertical signal line 136.
[0010]
Next, the V selection means 106 outputs a reset pulse 134 at timing T2, whereby the reset gate 128 is turned on, the FD portion 124 is connected to the power supply Vdd, and the charges (electrons) accumulated in the FD portion 124 are stored. Eliminated. Then, the voltage of the reset FD unit 124 is output to the vertical signal line 136 by the amplification transistor 130. Since the amplification transistor 130 forms a source follower circuit together with the constant current source 114 when the address gate 138 is on, the gate voltage, that is, the voltage following the voltage of the FD unit 124 is perpendicular to the amplification transistor 130. The signal is output to the signal line 136 with low impedance.
[0011]
Subsequently, at timing T 3, the timing generator 110 outputs first and second sampling pulses 148 and 150 to each S / H • CDS circuit 146 provided for each vertical signal line 136, and the amplification transistor 130 outputs the vertical signal. The offset voltage output to the line 136 is held.
[0012]
Thereafter, at timing T 4, the V selection unit 106 outputs a transfer pulse 132, turns on the transfer gate 126, and transfers charges (electrons) received and accumulated by the photodiode 122 until timing T 4 to the FD unit 124. The FD unit 124 generates a voltage according to the transferred charge amount, and the amplification transistor 130 outputs the voltage to the vertical signal line 136 with low impedance.
[0013]
The timing generator 110 outputs the second sampling pulse 150 to each S / H • CDS circuit 146 provided for each vertical signal line 136 at the timing T5. At this time, each S / H • CDS circuit 146 holds the voltage output from the amplification transistor 130 to the vertical signal line 136, the previously held offset voltage, and the newly held photodetection voltage. And a voltage having a magnitude corresponding to the amount of light incident on the photodiode 122, from which the offset is removed, is output.
Since the size of the offset is different for each pixel 120, noise due to variations in offset can be removed by removing the offset by the S / H / CDS circuit 146 in this way.
[0014]
The output signal of the S / H / CDS circuit 146 for each vertical signal line 136 is sequentially selected by the H selection means 108 based on the timing pulse from the timing generator 110 and output to the horizontal signal line 116, and the image is output through the output unit 118. Output as a signal.
V selection means 106 At timing T6, the address pulse 140 is returned to the low level. As a result, the address gate 138 is turned off, the amplification transistor 130 is disconnected from the vertical signal line 136, and the operation for the pixels 120 for one row is completed.
[0015]
Thereafter, the V selection unit 106 operates based on the timing pulse from the timing generator 110 and sequentially selects each row of the pixels 120. Then, the operation as described above is performed for each row, and when the V selection unit 106 selects all rows, an image signal for one image generated by all the pixels 120 is output.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a solid-state imaging device 102, only the amount of light in the range until the charge generated by the photodiode 122 overflows, that is, the range up to the saturation level of the photodiode 122, can be detected. Therefore, for example, when the aperture or shutter speed is adjusted to the dark part of the subject, the photodiode 122 is saturated in the bright part of the subject, so that the entire image is taken, for example, white, and an image is obtained. I couldn't.
[0017]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-313257 discloses a solid-state imaging device whose dynamic range is expanded by outputting a signal corresponding to the logarithm of the incident light quantity. However, since this solid-state imaging device uses a capacitor, it takes time to charge and discharge, and there is a drawback that an afterimage is generated. Also, since the embedded photodiode (for example, a P + layer is formed between the insulating film on the surface of the photodiode and the photodiode) having a merit that noise is structurally low cannot be used, the image quality is inferior. There is a problem. And since there are many components of a pixel circuit, size reduction is difficult.
[0018]
Also, the dynamic range is expanded by changing the shutter speed, and hence the charge accumulation time in the photodiode 122, and taking a short time when the photodiode 122 does not saturate and a sufficiently long time, and combining the captured images. Although the method of doing is also known, since this method requires a line memory and a frame memory, the apparatus becomes large and the cost becomes high. Since two signals with different exposure periods are combined, it is difficult to apply to a moving subject. Furthermore, there is a known technology that eliminates the need for memory by changing the charge accumulation time between adjacent rows of the pixel portion. However, this technology requires arithmetic processing between adjacent rows of pixels, which increases the size of the device. In addition, the configuration becomes complicated. Furthermore, since one signal is generated by two pixels, the resolution is degraded.
[0019]
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a solid-state imaging device having a wide dynamic range, a small size, a low cost, and a high performance.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
Up To achieve the purpose, A solid-state imaging device according to the present invention includes: A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, and a first timing control means; A second timing control means, a third timing control means, a first calculation means provided for each of the signal lines, and a second calculation means provided for each of the signal lines; The pixel receives light and generates a signal charge; and Accumulated Charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of signal charge, and the photodiode generates Faith A transfer means for transferring a signal charge to the charge voltage conversion means, and a charge voltage conversion means Power A buffer means for outputting a pressure to the corresponding signal line; and a reset means for eliminating the charge accumulated in the charge-voltage conversion means and resetting the charge-voltage conversion means, and the excess generated by the photodiode Faith The signal charge moves to the charge voltage conversion means through the transfer means regardless of the transfer operation of the transfer means. Like The first timing control means includes: By supplying control pulses, (a) Sequentially selecting rows of the pixels; (B) Selected row of For each pixel Leave Causing the reset means to reset the charge voltage conversion means. The , After the third voltage generated by the charge-voltage converter immediately after the reset is taken into the first arithmetic means via the buffer means and the signal line, The photodiode is generated in the transfer means. Faith The charge is transferred to the charge voltage conversion means. The , The first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is used as the buffer means. as well as Signal line The first calculation means takes the third voltage of one pixel previously acquired and the first voltage of the same pixel subsequently acquired from the first calculation means. Outputting a signal corresponding to the difference, the second timing control means, The first timing control means Selected In each pixel in the selected row, the reset means resets the charge voltage conversion means. straight before , Select Supply a control pulse to each pixel in the selected row ,then The buffer means generates the second voltage generated by the charge voltage conversion means. as well as The signal line The third timing control means supplies the control pulse to the second calculation means, and (a) a pixel row that follows the currently selected row and is the next selected row. (B) in each pixel of the newly selected selected row, the charge voltage conversion unit is reset by the reset unit, and the charge voltage conversion unit generates the fourth immediately after the reset. The voltage is taken into the second computing means via the buffer means and the signal line, and the second computing means captures the fourth voltage of one pixel previously captured and the same captured subsequently. A signal corresponding to the difference from the second voltage of the pixel is output. It is characterized by that.
[0021]
In the solid-state imaging device of the present invention, before the charge voltage conversion unit is reset by the control of the first timing control unit in the pixels in the selected row, the charge voltage conversion unit is generated by the control of the second timing control unit. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, before the pixel row is selected by the first timing control means, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance under the control of the third timing control means. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is the charge voltage conversion because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after the charge voltage conversion means is reset by the control of the third timing control means. The voltage generated by the charge voltage conversion means as a result of moving to the means and accumulating.
[0022]
That is, in the solid-state imaging device of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the voltage varies linearly with the amount of overflowing signal charge. Is generated by the charge-voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0023]
The present invention also provides: A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, a first arithmetic means provided for each signal line, and a signal line provided for each signal line The pixel includes a photodiode that receives light and generates a signal charge, and a charge-voltage conversion unit that generates a voltage corresponding to the amount of the accumulated signal charge. Is a solid-state imaging device driving method in which excess signal charge generated from the photodiode overflows from the photodiode and moves to the charge-voltage conversion means. The charge voltage conversion means is reset, and immediately after the reset, the third voltage generated by the charge voltage conversion means is taken into the first calculation means via the signal line, The signal charge generated by the photodiode is transferred to the charge voltage conversion means, and the first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is taken into the first calculation means via the signal line. And a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently in the first calculation means. And a control pulse is supplied to each pixel in the selected row immediately before resetting the charge voltage conversion unit in each pixel in the selected row in the first timing control step, and then the charge voltage conversion unit A second timing control step of taking in the second voltage generated by the second calculation means via the signal line, and a pixel row following the currently selected row, The selected pixel row is selected, the charge voltage conversion unit is reset in each pixel of the newly selected selection row, and the fourth voltage generated by the charge voltage conversion unit is immediately after the reset. A third timing control step for fetching into the second computing means via the signal line; and the fourth voltage of one pixel previously fetched in the second computing means and the same fetched subsequently. A signal corresponding to the difference from the second voltage of the pixel is output. And a step.
[0024]
In the solid-state imaging device driving method of the present invention, the charge voltage conversion means is generated in the second timing control step before the charge voltage conversion means is reset in the pixels in the selected row in the first timing control step. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, prior to selecting a pixel row in the first timing control step, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance in the third timing control step. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is transferred to the charge voltage conversion means because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after resetting the charge voltage conversion means in the third timing control step. As a result, the voltage is generated by the charge-voltage conversion means.
[0025]
That is, in the solid-state imaging device driving method of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the amount of signal charge overflowed linearly. The changing voltage is generated by the charge voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing the periphery of a pixel constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing the entire solid-state imaging device of an embodiment, and FIG. It is a timing chart which shows. 1 and 2, the same elements as those in FIGS. 12 and 13 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted here. Hereinafter, an example of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to these drawings, and at the same time, embodiments of a driving method of the solid-state imaging device according to the present invention will be described.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, in the solid-state imaging device 2 according to the embodiment, the S / H / CDS circuit 4 (for each pixel column of the pixel unit 104 in which the pixels 120 are arranged in a matrix form. A second computing means) is newly provided. The S / H • CDS section circuit 4 holds the voltage output to the vertical signal line 136 based on the sampling pulse 8 and the first sampling pulse 148 from the timing generator 6 (FIG. 2), and at different timings. The difference between the two held voltages is calculated, the offset is removed, and the signal component is output. The S / H / CDS unit 4 is arranged in the S / H / CDS unit 10 shown in FIG.
[0028]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, an H selection means 12 is newly provided together with the S / H • CDS unit 10, and the output of the S / H • CDS circuit 4 of the S / H • CDS unit 10. The signals are sequentially selected by the H selection means 12 and output from the output unit 16 through the horizontal signal line 14. Specifically, the output unit 16 includes an amplifier circuit, an AGC circuit, an A / D converter, and the like.
[0029]
The timing generator 6 supplies timing pulses to the V selection means 7, the H selection means 108, and the S / H • CDS section 112 as well as the conventional technique, and also applies timing pulses to the S / H • CDS section 10 and the H selection means 12. Supply. In the present embodiment, the timing generator 6 and the V selection means 7 constitute first to third timing control means according to the present invention.
[0030]
Specifically, the constant current source 114 (FIG. 1) is configured by, for example, a MOS transistor 114B having a threshold voltage Vth of 0.45V, its gate is connected to a power line 114C of 0.8V, and its source is connected to the ground. When the vertical signal line 136 is 0.4 V or higher, a constant current of about 10 μA is passed through the vertical signal line 136. Since capacitors are inserted in series at the input portions of the S / H • CDS circuits 4, 146, no direct current flows through the S / H • CDS circuits 4, 146.
[0031]
Next, the operation of the solid-state imaging device 2 of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same reference numerals are given to the timings corresponding to the timings shown in FIG.
The V selection means 7 selects a pixel row of the pixel unit 104 based on the timing pulse from the timing generator 6, and outputs an address pulse 140 (high level) at the timing T1 to the pixels 120 belonging to the selected row. The address pulse 140 (control pulse according to the present invention) is supplied to the address gate 138 in each pixel 120. As a result, the address gate 138 is turned on and the amplification transistor 130 (buffer means according to the present invention) is turned on to the vertical signal line. 136. At this time, since the amplification transistor 130 forms a source follower circuit together with the constant current source 114, a gate voltage, that is, a voltage following the voltage of the FD unit 124 is output from the amplification transistor 130 to the vertical signal line 136 with low impedance.
[0032]
After that, the timing generator 6 operates as the second timing control according to the present invention, and outputs the second sampling pulse 8 (control pulse according to the present invention) to the S / H • CDS unit 4 at the timing T1a. Then, the voltage of the FD unit 124 output to the vertical signal line 136 through the amplification transistor 130, that is, the second voltage according to the present invention (hereinafter also referred to as a wide D voltage) is held (the second voltage according to the present invention). Timing control step). The type of voltage will be described in detail later.
[0033]
Next, the V selection means 7 outputs a reset pulse 134 at the timing T2, whereby the reset gate 128 is turned on, the FD section 124 is connected to the power supply Vdd, and the signal charge accumulated in the FD section 124 is eliminated. The Then, the voltage of the reset FD unit 124, that is, the offset voltage (the third voltage according to the present invention) is output to the vertical signal line 136 by the amplification transistor 130.
[0034]
Subsequently, at timing T 3, the timing generator 6 sends first and second sampling pulses 148, 150 to the S / H • CDS circuit 146 (first arithmetic means according to the present invention) provided for each vertical signal line 136. The first sampling pulse 148 and the second sampling 8 are output to the S / H • CDS circuit 4 to hold the offset voltage output to the vertical signal line 136 by the amplification transistor 130.
[0035]
Thereafter, at timing T4, the V selection means 7 outputs a transfer pulse 132, turns on the transfer gate 126, and the photodiode 122 receives the signal charge received and accumulated by the timing T4 after the previous transfer pulse 132. The data is transferred to the FD unit 124. The FD unit 124 generates a voltage corresponding to the amount of signal charge transferred, that is, a normal light detection voltage (first voltage according to the present invention), and the amplification transistor 130 supplies the voltage to the vertical signal line 136 with low impedance. Output.
[0036]
The timing generator 6 outputs the second sampling pulse 150 to each S / H • CDS circuit 146 provided for each vertical signal line 136 at the timing T5, and at this time, the amplification transistor 130 outputs to the vertical signal line 136. The normal light detection voltage is maintained. Thus, each S / H • CDS circuit 146 calculates the difference between the normal light detection voltage and the offset voltage held as described above, removes the offset, and has a magnitude corresponding to the incident light amount of the photodiode 122. Is output. The output signal of the S / H / CDS circuit 146 for each vertical signal line 136 is sequentially selected by the H selection means 108 based on the timing pulse from the timing generator 6 and output to the horizontal signal line 116, and the image is output through the output unit 118. Output as a signal.
[0037]
On the other hand, in the S / H • CDS unit 10, the S / H • CDS circuit 4 provided for each vertical signal line 136 calculates the difference between the wide D voltage and the offset voltage held as described above, and the offset A voltage having a magnitude corresponding to the amount of light incident on the photodiode 122 is output. The output signal of the S / H / CDS circuit 4 for each vertical signal line 136 is sequentially selected by the H selection means 12 based on the timing pulse from the timing generator 6 and output to the horizontal signal line 14, and the image is transmitted through the output unit 16. Output as a signal.
[0038]
The V selection means 7 The reset pulse 134 is output again at the timing T5a to prepare for the next cycle. As a result, the reset gate 128 is turned on, the FD portion 124 is connected to the power supply Vdd, and the signal charge accumulated in the FD portion 124 is eliminated.
V selection means 7 At timing T6, the address pulse 140 is returned to the low level. As a result, the address gate 138 is turned off, the amplification transistor 130 is disconnected from the vertical signal line 136, and the operation for the pixels 120 for one row is completed.
[0039]
In the above operation, the V selection means 7 and the timing generator 6 operate as the first timing control means according to the present invention, supply the address pulse 140 to the pixels in the selected row at the timing T1, and the FD unit 124 at the timing T2. , The signal charge generated by the photodiode 122 at the timing T4 is transferred to the FD unit 124, and the normal photodetection voltage is output to the vertical signal line. At this time, the first timing according to the present invention is output. A control step is being executed.
[0040]
Subsequently, the V selection means 7 operates as the third timing control means according to the present invention together with the timing generator 6, and by way of example, the pixel row (FD) advanced by 5 rows from the selected row selected from the timings T1 to T6. For each pixel in the electronic shutter row), at timing T7, a reset pulse 134 is output to reset the FD unit 124 (third timing control step according to the present invention).
[0041]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the FD electronic shutter row and the selected row. The pixel portion 104 is schematically shown, and each square 20 represents an individual pixel. For example, the selected row 22 is a row selected from the timings T1 to T6, and the reset pulse 134 is supplied to the FD unit 124 of each pixel as described above in the FD electronic shutter row 24 at the timing T7. Line.
[0042]
Here, the FD electronic shutter row 24 is selected and becomes a selected row after the four rows following the selected row 22 are selected, and the selected row (FD electronic shutter row 24) is performed at the timings T1 to T6 described above. The same operation as that related to the selected row 22 is performed. Therefore, resetting the FD unit 124 constituting the pixels of the FD electronic shutter row 24 at the timing T7 is performed before the pixel row (FD electronic shutter row 24) is selected by the V selection unit 7 later. That is, the FD portion 124 of each pixel is reset.
[0043]
The operations relating to the selected row 22 and the FD electronic shutter row 24 as described above are performed while sequentially shifting the selected row 22 and the FD electronic shutter row 24 one by one in the direction of the arrow A, and the V selection means 7 performs all the rows. When is selected, one image signal generated by all the pixels 120 is output.
[0044]
Next, the wide D voltage sampled at the timing T1a and the reset of the FD unit 124 in the FD electronic shutter row 24 will be described in detail.
When the amount of light incident on the photodiode 122 is large, excess signal charge generated by receiving light from the photodiode 122 overflows the transfer gate 126 to the FD section 124 and further overflows to the FD section 124, and the signal charge is reset gate. It flows into the power supply Vdd over 128.
[0045]
At this time, the voltage of the FD unit 124 is determined by the magnitude of current due to the signal charge flowing out to the power supply Vdd, but the amount of signal charge generated by the photodiode 122 is small, and the current flowing through the channel of the reset gate 128 by the MOSFET is nano. Since the current is weak in the order of amperes and the reset gate 128 operates in the subthreshold region, the voltage of the FD portion 124 becomes a value corresponding to the logarithm of the current value. Since the voltage of the FD unit 124 is output through the amplification transistor 130 and supplied to the S / H • CDS circuit 4, when the amount of incident light is excessive, the S / H • CDS circuit 4 holds at timing T <b> 1 a. The D voltage is a value corresponding to the logarithm of the incident light amount.
[0046]
However, in this embodiment, as described above, the FD portion 124 of each pixel of the FD electronic shutter row 24 is reset in advance at the stage five rows before being selected. Therefore, after the reset of the FD unit 124, the signal charge overflowing from the photodiode 122 is gradually accumulated in the FD unit 124, but when the selected row is shifted by 5 rows, the amount of signal charge accumulated in the FD unit 124 during this time A wide D voltage having a magnitude proportional to is taken into the S / H • CDS circuit 4. As described above, in the present embodiment, the charge accumulation time in the FD unit 124 is shortened. Therefore, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge overflows from the photodiode 122, it is linear with respect to the amount of overflowing signal charge. Voltage (wide D voltage) can be obtained.
[0047]
Therefore, when the incident light quantity is normal, a signal generated by the S / H • CDS circuit 146 using the normal light detection voltage and output through the output unit 118 is used. When the incident light quantity is excessive, a wide D voltage is used. By generating an image signal using a signal generated by the S / H / CDS circuit 4 and output from the output unit 16, an image signal whose magnitude linearly changes with respect to the incident light amount even when the incident light amount is excessive. And wide dynamic range shooting is possible.
[0048]
When the amount of incident light is larger, the signal charge overflowing from the photodiode 122 overflows in the stage before the timing T1a in the FD unit 124 after reset and flows through the reset gate 128 as described above, so that the wide D voltage is The value corresponds to the logarithm of the incident light quantity. Therefore, although an image signal whose magnitude varies in proportion to the incident light quantity cannot be obtained, an image signal having a magnitude corresponding to the incident light quantity can be obtained. In this case as well, wide dynamic range shooting is possible.
[0049]
Further, in the present embodiment, since the signals can be simultaneously output from the output units 16 and 118 as described above, it is possible to select whether to use both outputs or only one as necessary, and the subsequent signal High degree of freedom in processing.
In addition, since it is not necessary to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between the rows of the pixel portion 104, the configuration and processing contents are simple, which is advantageous for downsizing of the apparatus and the manufacturing cost. There is no particular rise. Furthermore, since the configuration of the pixel 120 is the same as the conventional one, the size of the pixel 120 does not increase, and this is also advantageous for downsizing the solid-state imaging device.
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the output of the output unit 16 has a magnitude corresponding to the logarithm of the incident light quantity, a capacitor is not used for logarithmic conversion, so there is no problem of afterimages and the embedded photodiode has little noise. Since 122 can be used, performance does not deteriorate in terms of image quality.
[0050]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the FD electronic shutter row 22 precedes the selected row 22 by five rows, but by changing the interval between these rows variously, The charge accumulation time in the FD unit 124 can be changed, and when the incident light amount is excessive, the light amount range in which a wide D voltage that changes linearly with respect to the incident light amount can be obtained can be adjusted. The narrower the row interval, the wider the range of light quantity that can obtain a wide D voltage that changes linearly with respect to the incident light quantity. For example, when one frame is composed of 500 pixel rows, FD electrons Assuming that the shutter row 24 is the next row after the selected row 22, the enlargement is 500 times larger than when the FD unit 124 is not reset in the FD electronic shutter row 24.
[0051]
In this embodiment, electrons are carriers. However, even when a P-type MOSFET is used as a MOSFET constituting each gate and holes are carriers, the basic operation remains the same. The same effect can be obtained.
In this embodiment, the timing generator is incorporated. However, the timing generator can be externally provided.
[0052]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a circuit diagram showing the periphery of the pixels constituting the solid-state imaging device of the second embodiment, and FIG. 6 is an explanation showing the relationship between the FD electronic shutter row 24 and the selected row 22 in the second embodiment. FIG. 7 is a circuit diagram showing in detail the S / H • CDS circuit, and FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the second embodiment. In the drawing, the same elements as those in FIGS. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals. The overall configuration of the second embodiment is the same as the configuration of the solid-state imaging device 2 shown in FIG. 2, and therefore FIG. 2 is also referred to as appropriate. Hereinafter, a solid-state imaging device as a second embodiment of the present invention will be described with reference to these drawings, and at the same time, another example of the driving method of the solid-state imaging device of the present invention will be described.
[0053]
As shown in FIG. 6, the solid-state imaging device of the second embodiment has the FD electronic shutter row 24 as a row next to the selected row 22, and the above-described embodiment is configured as shown in FIG. The S / H • CDS circuit 4 to be replaced is replaced with an S / H • CDS circuit 146A. Further, as described below, the embodiment described above is used in terms of the timing of taking the offset voltage into the S / H • CDS circuit 146A. This is different from the solid-state imaging device 2 of FIG.
[0054]
First, the S / H • CDS circuit 146 will be described in detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 7, the S / H • CDS circuit 146 includes transistors 56 and 58, capacitors 60 and 62, and a horizontal selection transistor 64. The drain of the transistor 56 is connected to the vertical signal line 136 and the source is connected to one end of the capacitor 60, and the second sampling pulse 150 is supplied from the timing generator 6 to the gate of the transistor 56. The drain of the transistor 58 is connected to the bias voltage source Vb, the source is connected to the other end of the capacitor 60, and the first sampling pulse 148 is supplied to the gate from the timing generator 6. The first and second sampling pulses 148 and 150 are supplied in common to the gates of the transistors 56 and 58 of all the S / H / CDS units 146 arranged in the S / H / CDS unit 112.
[0055]
A capacitor 62 is connected between the other end of the capacitor 60 and the ground, and a drain of a horizontal selection transistor 64 is further connected to the other end of the capacitor 60. The source of the horizontal selection transistor 64 is connected to the horizontal signal line 116, and a selection pulse is individually supplied to the gate from the H selection means 108 for each S / H • CDS circuit 146.
[0056]
In such a configuration, when the first and second sampling pulses 148 and 150 are supplied, the transistors 56 and 58 are both turned on, whereby the offset voltage of the FD unit 124 output to the vertical signal line 136 is set. Is stored in the capacitor 60.
On the other hand, when only the second sampling pulse 150 is supplied, the transistor 56 is turned on, and the photodetection voltage output to the vertical signal line 136 is applied to the capacitor 62 through the transistor 56 and the capacitor 60. Here, since the capacitor 60 holds a voltage corresponding to the offset voltage, the capacitor 62 holds a voltage corresponding to a voltage obtained by subtracting this voltage.
[0057]
Then, the H selection means 108 sequentially outputs a selection pulse to the horizontal selection transistor 64 of the S / H • CDS circuit 146 for each vertical signal line 136, sequentially turns on the horizontal selection transistor 64, and the capacitor 62 holds it. Are sequentially output to the horizontal signal line 116.
The S / H • CDS circuit 146A has the same configuration as the S / H • CDS circuit 146 in this embodiment.
[0058]
Next, the operation will be described with reference to FIG. 8, focusing on the incorporation of the wide D voltage, the offset voltage, and the normal light detection voltage into the S / H • CDS circuits 146 and 146A.
The timing chart shown in FIG. 8 differs from the timing chart shown in FIG. 3 in that the first and second sampling pulses 148A and 150A are not supplied to the S / H • CDS circuit 146A at the timing T3, and the timing T8 The address pulse 140 is supplied at timing T6a. The points other than these are the same as those in FIG. 3 and the related operations are also the same. Therefore, here, the operations at these timings will be mainly described.
[0059]
As described above, at the timing T3, the first and second sampling pulses 148A and 150A are not supplied to the S / H • CDS circuit 146A, and the timing generator 6 is only the first to the S / H • CDS circuit 146. The second sampling pulses 148 and 150 are supplied to hold the offset voltage of the FD unit 124 output to the vertical signal line 136. Specifically, as shown in FIG. 7, at this time, both the transistors 56 and 58 are turned on, and a voltage corresponding to the offset voltage is held in the capacitor 60.
[0060]
After that, the second sampling pulse 150 is supplied to the S / H • CDS circuit 146 at the timing T5 as in the case of the solid-state imaging device 2, and the S / H • CDS circuit 146 holds the normal light detection voltage. Specifically, as shown in FIG. 7, at this time, the transistor 56 is turned on, and the capacitor 62 holds a voltage corresponding to the voltage obtained by subtracting the offset voltage from the normal photodetection voltage. To the horizontal signal line 116.
[0061]
The V selection means 7 operates together with the timing generator 6 as the third timing control means according to the present invention. First, the timing T6a with respect to the address gate 138 constituting the pixels of the FD electronic shutter row 24 shown in FIG. Then, the address pulse 140 is supplied to turn on the address gate 138. Next, at the timing T7, the reset pulse 134 is supplied to the reset gate 128 to reset the FD unit 124, as in the case of the solid-state imaging device 2.
[0062]
At timing T8, the timing generator 6 outputs the first and second sampling pulses 148A and 150A to the respective S / H / CDS circuits 146A and outputs to the vertical signal line 136 the offset voltage of the FD unit 124 ( The fourth voltage according to the present invention is maintained. Specifically, as shown in FIG. 7, at this time, both the transistors 56 and 58 are turned on, and a voltage corresponding to the offset voltage is held in the capacitor 60. The V selection means 7 then returns the address pulse to the original low level at timing T9.
[0063]
After that, when the current FD electronic shutter row 24 becomes the selected row in the next cycle, the timing generator 6 applies the second sampling pulse 150A to each S / H · at timing T1a as in the case of the solid-state imaging device 2. The wide D voltage supplied to the CDS circuit 146A and outputted to the vertical signal line 136 is held. Specifically, as shown in FIG. 7, the transistor 56 is turned on at this time, and the capacitor 62 holds a voltage corresponding to the voltage obtained by subtracting the offset voltage from the wide D voltage. This voltage is later transmitted through the transistor 64. It is output to the horizontal signal line 116.
Thereafter, the above operation is repeated while the selected row 22 and the FD electronic shutter row 24 are sequentially shifted one by one in the direction of the arrow A.
[0064]
As described above, in the solid-state imaging device according to the second embodiment, the offset voltage is first supplied to both the S / H • CDS circuits 146 and 146A, and then the normal light detection voltage and the wide voltage are widened. Each of the D voltages is supplied. Therefore, as shown in FIG. 7, the S / H • CDS circuits 146 and 146A can obtain the same polarity voltage obtained by subtracting the offset voltage from the normal light detection voltage and the wide D voltage, respectively, with the same configuration. .
[0065]
In the case of the S / H • CDS circuit 4 shown in FIG. 1, the wide D voltage is first supplied at the timing T1a as described above, and then the offset voltage of the FD unit 124 is supplied at the timing T3. When the / H · CDS circuit 4 has the same configuration as that of the S / H · CDS circuit 146, the voltage corresponding to the wide D voltage is held in the capacitor 60. The opposite signal is output. Therefore, the S / H • CDS circuit 4 must have a configuration different from that of the S / H • CDS circuit 146 in order to make the polarity of the output signal the same as that of the S / H • CDS circuit 146.
In the second embodiment, as described above, the S / H • CDS circuit 146A may have the same configuration as the S / H • CDS circuit 146, and signals of the same polarity are output from both circuits. Therefore, it is easy to design an S / H • CDS circuit, which is advantageous in manufacturing.
[0066]
In the second embodiment, as described above, the FD unit 124 of the pixel in the FD electronic shutter row is reset at the timing T7, and the offset voltage is held in the S / H • CDS circuit 146A at the timing T8. Immediately after that, the wide D voltage is taken into the S / H • CDS circuit 146A at the timing T1a from the pixel of the next selected row (that is, the FD electronic shutter row) to obtain a signal corresponding to the wide D voltage from which the offset is removed. . Therefore, noise such as KTC noise included in the wide D voltage can be effectively removed.
That is, when the FD unit 124 of the pixel in the FD electronic shutter row is reset at the timing T7, the voltage (offset voltage) of the FD unit 124 is superimposed with noise such as KTC noise. Thereafter, the signal charge overflowing from the photodiode 122 is accumulated in the FD unit 124, and the FD unit 124 generates a corresponding voltage, and the noise after the reset is superimposed on this voltage. Therefore, at the timing T1a of the next cycle, the wide D voltage superimposed with the same noise as the noise superimposed on the offset voltage is taken into the S / H / CDS circuit 146A, and the offset immediately after the reset is taken in at the timing T8 first. When the voltage is reduced, the noise component can be surely removed.
[0067]
In the second embodiment, since the selected row and the FD electronic shutter row are adjacent to each other and the positional relationship between the two rows is fixed, adjustment of the accumulation time of the signal charge overflowing from the photodiode 122 in the FD portion is adjusted. It is not possible to adjust the sensitivity when the amount of incident light is excessive. However, since the dynamic range is maximized by setting the FD electronic shutter row as the row next to the selected row, fixing the FD electronic shutter row in this way is not necessarily disadvantageous. In addition, fixing the sensitivity when the amount of incident light is excessive works advantageously in that signal processing at a later stage becomes easy.
[0068]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the third embodiment, and FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the photodiode electronic shutter row, the FD electronic shutter row, and the selected row in the third embodiment. . 10, the same elements as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, with reference to these drawings, a solid-state imaging device as a third exemplary embodiment of the present invention will be described, and at the same time, another example of the driving method of the solid-state imaging device of the present invention will be described.
The overall configuration and pixel configuration of the solid-state imaging device according to the third embodiment are the same as those of the solid-state imaging device 2 according to the first embodiment, and therefore FIG. 1 and FIG.
[0069]
In the third embodiment, as shown in FIG. 10, the photodiode electronic shutter row 26 is set together with the FD electronic shutter row 24, and the timing control by the timing generator 6 and the V selection means 7 is changed. Thus, the solid-state imaging device 2 is different. In this embodiment, the FD electronic shutter row 24 is at a position that precedes the selected row 22 by four rows, and the photodiode electronic shutter row 26 is at a position that precedes the selected row 22 by seven rows.
[0070]
The operation of this embodiment will be described. The V selection means 7 (FIG. 2) outputs an address pulse 140 (high level) to each pixel in the selected row 22 at timing T1. As a result, the address gate 138 (FIG. 1) is turned on, and the amplification transistor 130 is connected to the vertical signal line 136.
After that, the timing generator 6 outputs the sampling pulse 8 to the S / H • CDS circuit 4 at the timing T1a, and holds the wide D voltage output to the vertical signal line 136 through the amplification transistor 130.
Next, the V selection unit 7 outputs a reset pulse 134 to each of the selected row 22, the FD electronic shutter row 24, and the photodiode electronic shutter row 26 at the timing T2. As a result, the reset gate 128 is turned on and the FD unit 124 is reset in each pixel of the three rows. In the selected row 22, the voltage of the reset FD unit 124, that is, the offset voltage is output to the vertical signal line 136 by the amplification transistor 130.
[0071]
Subsequently, at timing T 3, the timing generator 6 supplies the first and second sampling pulses 148 and 150 to the S / H • CDS circuit 146 provided for each vertical signal line 136 and the S / H • CDS circuit 4 to the first. One sampling pulse 148 and the second sampling 8 are output, and the offset voltage output to the vertical signal line 136 by the amplification transistor 130 in the selected row 22 is held.
[0072]
After that, at timing T4, the V selection means 7 supplies the transfer pulse 132 to the transfer gates constituting the pixels of the selected row 22 and the photodiode electronic shutter row 26 to turn on, and the photodiode 122 receives light by this timing. The accumulated signal charge is transferred to the FD unit 124. The FD unit 124 of each pixel in the selected row 22 generates a normal light detection voltage, and the amplification transistor 130 outputs the voltage to the vertical signal line 136 with a low impedance.
[0073]
Then, the timing generator 6 outputs the second sampling pulse 150 to each S / H • CDS circuit 146 at the timing T5, and at this time, the normal photodetection voltage output from the amplification transistor 130 to the vertical signal line 136 is output. Hold. Accordingly, each S / H • CDS circuit 146 subtracts the offset voltage from the normal light detection voltage held as described above, and outputs a voltage having a magnitude corresponding to the amount of light incident on the photodiode 122. The output signal of the S / H / CDS circuit 146 for each vertical signal line 136 is sequentially selected by the H selection means 108 based on the timing pulse from the timing generator 6 and output to the horizontal signal line 116, and the image is output through the output unit 118. Output as a signal.
[0074]
On the other hand, in the S / H • CDS unit 10, each S / H • CDS circuit 4 subtracts the offset voltage from the wide D voltage held as described above and outputs a voltage having a magnitude corresponding to the incident light amount of the photodiode 122. To do. The output signals of the respective S / H / CDS circuits 4 are sequentially selected by the H selection means 12 based on the timing pulse from the timing generator 6, output to the horizontal signal line 14, and output as an image signal through the output unit 16.
[0075]
The V selection means 7 In preparation for the next cycle, the reset pulse 134 is output again to the selected row 22, the FD electronic shutter row 24, and the photodiode electronic shutter row 26 at the timing T5a. As a result, the reset gate 128 constituting the pixel of each row is turned on, and the FD unit 124 is reset. Since the transfer pulse 132 is supplied to the pixels of the photodiode electronic shutter row 26 at the timing T4, both the photodiode 122 and the FD unit 124 constituting the pixels of the photodiode electronic shutter row 26 are reset at this stage. It becomes a state.
[0076]
V selection means 7 The address pulse 140 supplied to the pixel of the selected row 22 is returned to the low level at the timing T6. As a result, the address gate 138 constituting the pixel of the selected row 22 is turned off, and the amplification transistor 130 is disconnected from the vertical signal line 136. It is. Thereafter, the V selection means 7 performs such an operation while sequentially shifting the selection row 22, the FD electronic shutter row 24, and the photodiode electronic shutter row 26 one by one in the direction of the arrow A (FIG. 10). .
[0077]
In the above operation, the photodiode electronic shutter row 26 shown in FIG. 10 is selected and becomes the selected row after the selection of the six rows following the selected row 22, and is performed at the above-described timings T1 to T6. The same operation as that for the selected row 22 shown in FIG. 10 is performed in the photodiode electronic shutter row 26 (new selected row 22). Therefore, at timing T4, a transfer pulse 134 is supplied to the pixels of the photodiode electronic shutter row 26 to transfer the signal charge of the photodiode 122 to the FD unit 124, and further, a reset pulse is supplied at timing T5a to set the FD unit 124. Resetting means resetting the photodiode 122 and the FD portion 124 of the pixel before the pixel row (photodiode electronic shutter row 26) is selected by the V selection means 7 later (the present invention). 4th timing control step). Here, the V selection means 7 for supplying the transfer pulse and the reset pulse to the photodiode electronic shutter row 26 operates together with the timing generator 6 as the fourth timing control means according to the present invention.
[0078]
Thus, in the third embodiment, the photodiode electronic shutter row 26 is set and the photodiode 122 is reset in advance, so that the charge accumulation time in the photodiode 122 is changed from the selected row 22 to the photodiode electrons. The time corresponds to the number of lines up to the shutter line 26. Therefore, by adjusting the number of rows in various ways, the charge accumulation time in the photodiode 122 can be changed, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained. It becomes possible to adjust the sensitivity with respect to the amount of light.
[0079]
In the third embodiment, the reset pulse 134 is supplied to the pixels of the FD electronic shutter row 24 at the timing T2. However, the reset pulse is not supplied at this timing, and the reset pulse is only supplied at the timing T5a. In such a case, the FD unit 124 can be reset in advance in preparation for the FD electronic shutter row 24 being selected later. Of course, as in the case of the first embodiment, it is possible to reset the FD unit 124 at a timing after timing 6.
However, the selection row 22, the FD electronic shutter row 24, and the photodiode electronic shutter row 26 have common timing control for the pixels in the respective rows, thereby facilitating the design, and the selection row 22 with respect to the FD electronic shutter row 24. It is more advantageous to supply a reset pulse at the same timing as the above.
[0080]
Furthermore, in the third embodiment, the reset pulse 134 and the transfer pulse 132 are supplied to the pixels in the photodiode electronic shutter row 26 at the same timing as the pixels in the selected row 22, but the photodiode electronic shutter Since such timing control for the row 26 is intended to reset the photodiode 122 and the FD unit 124 of the photodiode electronic shutter row 26 in advance, the photodiode 122 and the FD are different in timing from the selected row 22. Of course, it is possible to configure the unit 124 to be reset.
[0081]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a block diagram showing the entirety of a solid-state imaging device as a fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
In the solid-state imaging device 34 of the present embodiment, CDS / AGC units 10A and 114A are provided instead of the S / H / CDS units 10 and 112 shown in FIG. 1, and a signal synthesis / A / D conversion unit 28 is provided. The communication unit 30 is newly provided, and the horizontal signal line 116 is replaced with a bus line 116A.
[0082]
The CDS / AGC units 10A and 114A are obtained by adding an AGC (automatic gain control) function to the S / H / CDS units 10 and 112 of FIG. These voltages are output after adjusting the level.
Then, the signal synthesis / A / D conversion unit 28 synthesizes the wide D voltage and the normal light detection voltage from the CDS / AGC units 10A and 114A into a light detection voltage having a wide dynamic range, and further converts it into a digital signal. And output. The digital signals are sequentially read out to the bus line by the H selection means 108 and output through the digital output terminal 32.
The communication unit 30 controls the operation of the timing generator 6 and the drive mode of the solid-state imaging device 34 based on a mode control signal input through the mode control terminal 36.
[0083]
Therefore, in the solid-state imaging device 34 of the fourth embodiment, the light detection result when the amount of light incident on the photodiode is a normal level and the light detection result when it is excessive are output in a combined state. Therefore, it is not necessary to provide a circuit for signal synthesis outside. In addition, the operation of the solid-state imaging device 34 can be variously controlled through the communication unit 30, and the flexibility in the operation is increased.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, in the solid-state imaging device of the present invention, the charge voltage is controlled by the second timing control unit before the charge voltage conversion unit is reset by the control of the first timing control unit in the pixels of the selected row. The second voltage generated by the conversion means is output to the signal line through the buffer means. Further, before the pixel row is selected by the first timing control means, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance under the control of the third timing control means. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is the charge voltage conversion because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after the charge voltage conversion means is reset by the control of the third timing control means. The voltage generated by the charge voltage conversion means as a result of moving to the means and accumulating.
[0085]
That is, in the solid-state imaging device of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the voltage varies linearly with the amount of overflowing signal charge. Is generated by the charge-voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0086]
Since there is no need to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between pixel rows, the configuration and processing contents are simple, which is advantageous for downsizing of the apparatus and the manufacturing cost is low. There is no particular rise.
Furthermore, since the pixel configuration is the same as the conventional one, the pixel size does not increase, and this is also advantageous for downsizing the solid-state imaging device.
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the second voltage has a magnitude corresponding to the logarithm of the incident light quantity, a capacitor or the like is not used for logarithmic conversion, so there is no problem of afterimages and there is little noise in the embedded photodiode. Therefore, the performance is not deteriorated in terms of image quality.
[0087]
In the solid-state imaging device driving method of the present invention, the charge voltage conversion unit generates the charge voltage conversion unit in the second timing control step before resetting the charge voltage conversion unit in the pixel in the selected row in the first timing control step. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, prior to selecting a pixel row in the first timing control step, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance in the third timing control step. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is transferred to the charge voltage conversion means because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after resetting the charge voltage conversion means in the third timing control step. As a result, the voltage is generated by the charge-voltage conversion means.
[0088]
That is, in the solid-state imaging device driving method of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the amount of signal charge overflowed linearly. The changing voltage is generated by the charge voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0089]
Since there is no need to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between pixel rows, the configuration and processing contents of the solid-state imaging device are simple, which is advantageous for downsizing the device. The manufacturing cost is not particularly increased.
Furthermore, since the pixel configuration may be the same as the conventional one, the pixel size does not increase, which is advantageous for downsizing of the solid-state imaging device.
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the second voltage has a magnitude corresponding to the logarithm of the incident light quantity, a capacitor or the like is not used for logarithmic conversion, so there is no problem of afterimages and there is little noise in the embedded photodiode. Therefore, the performance is not deteriorated in terms of image quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a periphery of a pixel constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an entire solid-state imaging device according to an embodiment.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation related to the pixel of FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between an FD electronic shutter row and a selected row.
FIG. 5 is a circuit diagram showing the periphery of a pixel constituting the solid-state imaging device according to the second embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between an FD electronic shutter row and a selected row in the second embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram showing in detail an S / H • CDS circuit.
FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the second exemplary embodiment.
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the third exemplary embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between a photodiode preceding reset row, an FD electronic shutter row, and a selected row in the third embodiment.
FIG. 11 is a block diagram showing the entirety of a solid-state imaging device as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram illustrating a conventional solid-state imaging device.
13 is a circuit diagram showing the periphery of one pixel constituting the solid-state imaging device of FIG. 12. FIG.
14 is a timing chart showing the operation of the circuit shown in FIG.
[Explanation of symbols]
2, 34... Solid imaging device, 4, 146... S / H / CDS circuit, 6... Timing generator, 7. H selection means, 14, 116 ... horizontal signal line, 16, 118 ... output unit, 22 ... selected row, 24 ... FD electronic shutter row, 26 ... photodiode electronic shutter row, 104 ... pixel portion, 120... Pixel, 136... Vertical signal line.

Claims (2)

半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、第1のタイミング制御手段と、第2のタイミング制御手段と、第3のタイミング制御手段と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、
前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、
前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり
前記第1のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)前記画素の行を順次選択し、(ロ)選択行各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせそのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させ、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませ、
前記第1の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を出力し、
前記第2のタイミング制御手段は、前記第1のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、
前記第3のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、(ロ)新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、
前記第2の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, a first timing control means, a second timing control means, and a third timing control means And a first computing means provided for each signal line, and a second computing means provided for each signal line ,
The pixel includes a light receiving to a photodiode for generating a signal charge, accumulated signal and charge-voltage converting means for generating a voltage corresponding to the amount of charge, the charge-voltage converting the signal charges the photodiode was produced transfer means for transferring the unit, the charge voltage and buffer means for outputting to the signal line converting means corresponding to the generated voltage, the charge-voltage converting means and the charge-voltage converting means to eliminate the accumulated charges in Resetting means for resetting,
The excessive signal charge by the photodiode-generated Yes so as to move in the charge-voltage converting means through said transfer means regardless of transfer operation of the transfer means,
Said first timing control means, by supplying a control pulse, (b) said sequentially selects a row of pixels, (b) Oite to each pixel of the selected row, the charge-voltage converting means to the reset means was allowed to reset, the third voltage the charge-voltage converting means immediately after a reset is generated after incorporated into the first arithmetic means through said buffer means and said signal lines, said transfer means said the signal charges by the photodiode-generated by transferred to the charge-voltage converting means, wherein the first voltage generated by the charge-voltage converting means by the signal charges via the buffer means and said signal line a 1 to the calculation means,
The first calculation means outputs a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently,
It said second timing control means, wherein immediately prior to reset the charge-voltage converting means to the reset means in each pixel of the first timing control means is selected 択行, a control pulse to each pixel of the selected択行supplying to, then allowed to ingest the second voltage is the charge-voltage converting means is generating said second calculation means via said buffer means and said signal line,
The third timing control means supplies a control pulse to select (a) a pixel row subsequent to the currently selected row and the pixel row to be selected next, and (b) newly selected. In each pixel of the selected row, the charge voltage conversion unit is reset by the reset unit, and a fourth voltage generated by the charge voltage conversion unit immediately after the reset is generated via the buffer unit and the signal line. Let the second computing means capture,
The second calculation means outputs a signal corresponding to a difference between the fourth voltage of one pixel previously captured and the second voltage of the same pixel captured subsequently.
A solid-state imaging device.
半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記フォトダイオードから溢れて前記電荷電圧変換手段に移動するようにした固体撮像装置の駆動方法であって、A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, a first arithmetic means provided for each signal line, and a signal line provided for each signal line The pixel includes a photodiode that receives light and generates a signal charge, and a charge-voltage conversion unit that generates a voltage corresponding to the amount of the accumulated signal charge. The excessive signal charge generated by the liquid crystal overflows from the photodiode and moves to the charge voltage conversion means, and is a driving method of a solid-state imaging device,
前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込む第1のタイミング制御ステップと、The row of pixels is sequentially selected, the charge voltage conversion unit is reset in each pixel of the selected row, and the third voltage generated by the charge voltage conversion unit immediately after the reset is supplied via the signal line. The signal charge generated by the photodiode is transferred to the charge voltage conversion means after being taken into the first calculation means, and the first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is transferred to the signal. A first timing control step for taking in the first calculation means via a line;
前記第1の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、Generating a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently in the first arithmetic means;
前記第1のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第Immediately before resetting the charge-voltage converter in each pixel in the selected row in the first timing control step, a control pulse is supplied to each pixel in the selected row, and the charge-voltage converter is generated at that time. The second voltage is taken into the second calculation means via the signal line. 2のタイミング制御ステップと、Two timing control steps;
現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第3のタイミング制御ステップと、The pixel row that is the pixel row that follows the currently selected row and that is the next selected row is selected, the charge-voltage conversion unit is reset in each pixel of the newly selected selected row, and the charge voltage immediately after the reset A third timing control step of taking the fourth voltage generated by the conversion means into the second calculation means via the signal line;
前記第2の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力するステップと、A step of outputting a signal corresponding to a difference between the fourth voltage of one pixel captured in advance and the second voltage of the same pixel captured subsequently in the second arithmetic means;
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。The solid-state imaging device drive method characterized by including.
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