JP3836911B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入力した１次元または２次元の光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有するフォトダイオード電荷を取り扱う場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
【０００３】
ＭＯＳ型イメージセンサでは、１次元または２次元光像を撮像するものは、１次元または２次元の配列されたフォトダイオードアレイに対して、１つのディスクリート増幅器を設置し、各フォトダイオードでの光検出信号を増幅後に取り出すという方式が従来から採用されてきた。近年、ＭＯＳ型イメージセンサの長所を活かしつつ、短い読み出し時間で、光量の小さい領域まで線形な光電変換特性の維持された光センサ装置が提案されている。
【０００４】
こうした装置は、フォトダイオードの出力をチャージアンプ回路、ソースフォロワ回路を介して、読み出している（「特開平５−２１５６０２号公報（従来例１）」、「J.C.Stanton, IEEE Transaction Nuclear Science, Vol.36, No.1, Feb. 1989, pp522-527（従来例２）」参照）。
【０００５】
図５は、従来例１に開示の装置の回路構成図である。なお、従来例２に開示の装置も本質的に同様の回路構成を有している。図５に示すように、（ａ）フォトダイオード９１０と、フォトダイオード９１０から出力された光検出信号を入力して、電荷積分を行なうチャージアンプ回路９２０とを備えるセンサ９３０1〜９３０Nと、（ｂ）走査回路９４０によって択一的に選択されたセンサ９３０iから出力された信号を入力して、クランプ処理するクランプ回路９５０と、クランプ回路９５０から出力された信号入力してソースフォロワ出力するソースフォロワ回路９６０とを備えるバッファ回路９７０とを備える。
【０００６】
この装置では、フォトダイオード９１０への光の入射によって発生した電荷による電流信号を、チャージアンプ回路９２０が入力して電荷積分を行なう。そして、走査回路９４０から出力される走査指示信号に応じて、択一的に選択されたセンサ９３０iから出力された信号である積分信号を、クランプ回路９５０を介した後にソースフォロワ回路９６０を介して、順次得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている光センサ装置は上記のように構成されるので、２次元のイメージセンサや、フォトダイオードと信号処理回路とを対にして１次元配列したイメージセンサを形成する場合に、以下のような問題点があった。
【０００８】
（１）直線性の問題
図５の装置では、ＭＯＳＦＥＴのソースフォロワ回路９６０によって、チャージアンプ回路９２０から出力される電荷積分結果をＭＯＳＦＥＴのゲートから入力し、ＭＯＳＦＥＴのソースから外部回路へ出力している。したがって、ゲート電位をＶＧ、ソース電位をＶＳとすると、
ＶＳ＝ＶＧ−Ｖｔｈ−（２Ｉ／Ｋｐ）1/2 …（１）
ここで、Ｖｔｈ：ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧
Ｉ ：ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流
Ｋｐ：ＭＯＳＦＥＴの製造パラメータ、サイズ等に起因する定数
が成立する。
【０００９】
ところで、Ｖｔｈはソース電位ＶＳによって変動する値であり、
Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋γ（（ＶＳ＋Ｖｂ）1/2−Ｖｂ1/2） …（２）
ここで、Ｖｔｈ０：ＭＯＳＦＥＴ固有のしきい値電圧
γ ：ＭＯＳＦＥＴ固有の基板定数
Ｖｂ ：ＭＯＳＦＥＴのベース電位
となる。なお、ベース電位Ｖｂは、ＮＭＯＳであれば一般的に接地されるなどして、一定の電位に固定される。（１）および（２）式より、ゲート電位ＶＧ、すなわち積分結果信号に対して、ソース電位ＶＳ、すなわち出力信号が線形な関係を保つことは困難である。
【００１０】
以上を防ぐために、ＭＯＳＦＥＴのウェル電位をソース電位ＶＳとすべく配線接続を施すと、ウェルによって寄生容量が大幅に増加してしまい、高速動作が困難となる。
【００１１】
（２）動作速度の問題
図５の装置では、走査回路９４０によりセンサ９３０ｉの選択が行なわれた瞬間に、（１）式に示したソース電位ＶＳとなるべく、ソース端子の寄生容量をチャージアップする。高速動作のため、ソース端子の寄生容量のチャージアップ速度を速めるには、ソースフォロワ回路に流す定常電流の値を増やす必要がある。
【００１２】
しかし、定常電流の値を増やすと、ソースフォロワ回路におけるゲートとソースとの間の電圧値が増加してしまう。この結果、出力信号電圧のダイナミックレンジが狭くなる。
【００１３】
以上を解決するために、ＭＯＳＦＥＴのサイズを大きくすると、寄生容量も増えることとなるので、高速動作が困難となる。
【００１４】
すなわち、図５の装置では、高速動作と出力のダイナミックレンジの確保とを両立させることができなかった。
【００１５】
上記の問題は、構成要素をアレイ化して集積する場合に特に深刻な問題点となる。
【００１６】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、集積化された場合であっても、出力信号のダイナミックレンジを確保しつつ、高速動作が可能であるとともに、消費電力を低減した固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体撮像装置は、入力した光像を撮像する固体撮像装置であって、
（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の前記スイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（ｂ）夫々の垂直受光部からの出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする第２の数の積分回路と、（ｃ）駆動制御信号を夫々入力するとともに、夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力して、サンプル指示信号に応じて電荷サンプル動作または電荷ホールド動作を行う第２の数のサンプルホールド回路であって、駆動制御信号が有意となると出力インピーダンスを低減する第２の数のサンプルホールド回路と、（ｄ）夫々のサンプルホールド回路から出力された信号を夫々入力し、水平走査信号に応じて択一的に出力する第２の数の水平読み出し部と、（ｅ）垂直走査信号、リセット指示信号、サンプル指示信号、および水平走査信号を発行するとともに、水平走査信号に同期して駆動制御信号を有意とするタイミング制御部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項１の固体撮像装置では、リセット指示信号を一時的に有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の第１のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を出力する。第１のスイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、サンプルホールド回路に入力する。
【００１９】
サンプルホールド回路では、サンプル指示信号に応じて、光電変換素子に蓄積された電荷量に応じた電荷量が蓄積され、水平読み出し部に入力する。サンプリング動作の終了と相前後して、垂直走査信号はいずれの受光素子をも選択しない状態に設定される。
【００２０】
次いで、水平走査信号の設定により夫々の水平読み出し部を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部のサンプルホールド回路に駆動制御信号により出力インピーダンス低減を指示する。サンプルホールド回路は、出力インピーダンス低減が指示されると、低出力インピーダンスで信号を出力する。こうして、高速に信号を出力して、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００２１】
なお、リセット指示信号は、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００２２】
垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出しが終了すると、水平走査信号をいずれの垂直受光部に応じた信号をも出力選択しない状態にし、リセット指示信号を非有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第２番目の受光素子の第１のスイッチ素子のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号を出力する。第１のスイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。
【００２３】
以後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子と同様にして、垂直走査における垂直受光部の第２番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００２４】
引き続き、各垂直受光部の受光素子を順次指定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の場合と同様にして、各垂直受光部の受光素子に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部に入力した光像の撮像データを収集する。
【００２５】
請求項２の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、サンプルホールド回路が、（i）積分回路から出力された信号を第１の端子から入力するとともに、サンプル指示信号が有意の場合には第１の端子と第２の端子とを接続し、サンプル指示信号が非有意の場合には第２の端子と第３の端子とを接続する第２のスイッチ素子と、（ii）第２のスイッチ素子の第２の端子と第１の端子とが接続された第２の容量素子と、（iii）第２の容量素子の第２の端子と仮想的に正入力端子に短絡している負入力端子とが接続され、正入力端子が基準電位に設定されるとともに、出力端子が第２のスイッチ素子の第３の端子と接続され、駆動制御信号が非有意の場合には、第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を実質的に行なわず、駆動制御信号が有意の場合には、第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を能動的に行なうホールド増幅器と、（iv）ホールド増幅器の負入力端子と第１の端子が接続され、ホールド増幅器の出力端子と第２の端子が接続されるとともに、出力電位リセット指示信号に応じて開閉する第３のスイッチ素子とを備えるとともに、タイミング制御部は、出力電位リセット指示信号を更に出力することを特徴とする。
【００２６】
請求項２の固体撮像装置では、リセット指示信号が有意の期間中にサンプル指示信号が有意となり、積分回路の出力が第２のスイッチ素子を介して第２の容量素子の第１の端子に入力する。そして、リセット指示信号が有意であり、かつ、サンプル指示信号が有意の期間中に、出力電位リセット指示信号を一時的に有意として、第３のスイッチ素子を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器の出力端子と負入力端子とを一時的に短絡され、ホールド増幅器の出力端子が基準電位に設定される。
【００２７】
サンプル指示信号を有意としたままで、リセット指示信号が非有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を出力し、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力され、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され電圧としてサンプルホールド回路に入力する。
【００２８】
サンプルホールド回路では、積分回路から出力された信号を第２のスイッチ素子を介して第２の容量素子の第１の端子に入力し、積分回路から出力された信号の電圧値に応じた電荷を第２の容量素子に蓄積する。
【００２９】
次に、駆動制御信号が非有意の状態でサンプル指示信号を非有意として、第２のスイッチ素子を切換え、第２の容量素子の第１の端子をホールド増幅器の出力端子に接続する。駆動制御信号が非有意の状態では、ホールド増幅器は低出力インピーダンス化されていないので、駆動電流が僅かであり、静的に第２の容量素子に蓄積された電荷がホールドされた状態であり、ホールド電圧をセーブする。
【００３０】
次いで、水平走査信号の設定により夫々の水平読み出し部を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部のサンプルホールド回路に駆動制御信号を水平走査信号に同期して有意として低出力インピーダンス化を指示する。サンプルホールド回路は、低インピーダンス化が指示されると、高速に信号出力を実行する。こうして、高速で出力された信号を順次読み出すことにより、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００３１】
なお、リセット指示信号は、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００３２】
以後、第２番目以降の各垂直受光部の受光素子を順次指定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の場合と同様にして、各垂直受光部の受光素子に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部に入力した光像の撮像データを収集する。
【００３３】
請求項３の固体撮像素子は、請求項１の固体撮像装置において、駆動制御信号が有意となるタイミングと水平走査信号が有意となるタイミングとが略同一であることを特徴とする。
【００３４】
請求項３の固体撮像素子では、駆動制御信号が有意となるタイミングと水平走査信号が有意となるタイミングとを略同一とするので、駆動制御信号の有意時間を最小化することが可能であり、消費電力を有効に低減することができる。
【００３５】
請求項４の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、積分回路とサンプルホールド回路との間に、（i）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、積分回路ごとのオフセット分を低減して出力する第３の容量素子と、第３の容量素子を介した信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じて第３の容量素子の信号出力端子を基準電位に短絡させるクランプ素子とを備える第２の数のクランプ回路と、（ii）夫々のクランプ回路から出力した信号を夫々入力し、インピーダンス変換して、サンプルホールド回路へ向けて出力する第２の数のバッファ回路とを更に備えるとともに、タイミング制御部はクランプ制御信号を更に出力することを特徴とする。
【００３６】
請求項４の固体撮像素子では、第３の容量素子により、積分回路の出力信号の直流成分がカットされ、クランプ回路によりサンプルホールド回路によるサンプル動作における信号の非有効期間での電荷蓄積が防止され、かつ、バッファ回路による低出力インピーダンスでのサンプルホールド回路への入力が行なわれる。この結果、低ノイズ化が可能となる。
【００３７】
【実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施例を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３８】
図１は、本発明の実施例の固体撮像装置の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号Ｖi（ｉ＝１〜Ｎ１）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１４０とを１組の受光素子１２０として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＮ１個配列され、夫々のスイッチ素子１４０の信号出力端子が電気的に接続された垂直受光部１１０が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ２個配列された受光部１００と、（ｂ）垂直受光部１１０j（ｊ＝１〜Ｎ２）からの出力信号を夫々個別に入力し、信号処理後に水平走査信号（Ｈj）に応じて択一的に信号を出力する水平信号処理部２１０jを備える信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００および信号処理部２００に動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部３００とを備える。
【００３９】
水平信号処理部２１０jは、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、リセット指示信号Ｒに応じて垂直受光部１１０jから出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号Ｒ＝非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号Ｒ＝有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ii）積分回路２２０から出力された信号を入力し、積分回路２２０のオフセット分低減して出力する容量素子２３１と、容量素子２３１を介した信号を入力し、クランプ指示信号Ｃに応じて容量素子２３１を介した信号を接地レベルに短絡させるクランプ用スイッチ２３２とを備えるクランプ回路２３０と、（iii）クランプ回路２３０を介した信号を入力し、入力信号をインピーダンス変換して出力するバッファ回路２５０と、（iv）バッファ回路２５０から出力された信号を夫々入力し、サンプル指示信号ＳＨに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２６０と、（v）サンプルホールド回路２６０から出力された信号を入力して、水平走査信号Ｈjに応じてインピーダンス変換信号を出力する水平読み出し部２７０とを備える。
【００４０】
積分回路２２０は、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力する電荷増幅器２２１と、（ii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、（iii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に第２の端子が接続され、リセット指示信号Ｒが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号Ｒが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
【００４１】
サンプルホールド回路２６０は、（i）バッファ回路２５０から出力された信号を端子２６１1から入力するとともに、サンプル指示信号ＳＨが有意の場合には端子２６１1と端子２６１2とを接続し、サンプル指示信号ＳＨが非有意の場合には端子２６１2と端子２６１3とを接続するスイッチ素子２６１と、（ii）スイッチ素子２６１の端子２６１2と第１の端子とが接続された容量素子２６２と、（iii）容量素子２６２の第２の端子と仮想的に正入力端子に短絡している負入力端子とが接続され、正入力端子が接地されるとともに、出力端子とスイッチ素子２６１の端子２６１3とが接続され、駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には、高出力インピーダンス化され、駆動電流が小さく、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には、低出力インピーダンス化され、駆動電流が大きいが高速で信号を出力するホールド増幅器２６３と、（iv）ホールド増幅器２６３の負入力端子と第１の端子が接続され、ホールド増幅器２６３の出力端子と第２の端子が接続されるとともに、出力電位リセット指示信号ｒに応じて開閉するスイッチ素子２６４とを備える。
【００４２】
図２は、ホールド増幅器２６３の構成例の詳細回路構成図である。図２に示すように、ホールド増幅器２６３は、直列接続されたトランジスタＱ１〜Ｑ３と直列接続されたトランジスタＱ４〜Ｑ６とを並列接続した、一般的な差動増幅器の構成を有するとともに、駆動能力が小さなトランジスタＱ３には常時バイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給され、駆動能力の大きなトランジスタＱ６には、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には閉じ、駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には開くスイッチＳＷを介してバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給される。
【００４３】
駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には、トランジスタＱ３が動作状態であるが、トランジスタＱ６が動作状態になく、トランジスタＱ３に印加されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓのみでホールド増幅器２６３が動作しているので、高出力インピーダンス化されており、極めて低い消費電力しか必要とせず、非常に静的に容量２６２に電荷がホールドされた状態となる。
【００４４】
一方、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には、トランジスタＱ３に加えて、トランジスタＱ６が動作状態となるので、消費電力は増加するが、低出力インピーダンス化される。この結果、負荷駆動能力が高まり、高速で信号出力が可能となる。
【００４５】
また、ソースフォロワの構成をとらず、増幅器の構成をとるとともに、低出力インピーダンスで信号出力を行なうので、ダイナミックレンジを確保しつつ、高速動作が可能となる。
【００４６】
水平読み出し部２７０は、サンプルホールド回路２６０から出力された信号を一方の端子で入力し、水平走査信号Ｈjの指定に応じて「ＯＮ」状態と「ＯＦＦ」状態とが切り替わるスイッチ素子２７１を備える。
【００４７】
タイミング制御部３００は、（i）基本タイミング信号を発生する基本タイミング部３１０と、（ii）基本タイミング部３１０から通知された垂直走査指示に従って、垂直走査信号Ｖiを発生する垂直走査部３２０と、（iii）基本タイミング部３１０から通知された水平走査指示に従って、水平走査信号Ｈjおよび駆動制御信号Ｉjを発生する水平走査部３３０と、（iv）基本タイミング部３１０から通知された基本タイミングに従って、サンプル指示信号ＳＨ、クランプ指示信号Ｃ、リセット指示信号Ｒ、出力電位リセット指示信号ｒを発生する制御信号部３４０とを備える。
【００４８】
本実施例の装置は、以下のようにして、受光部１００に入力した光像データを収集する。図３は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００４９】
本実施例の固体撮像装置では、タイミング制御回路３００が、水平走査信号Ｈjをいずれの垂直受光部に応じた信号も出力選択しない状態（すなわち、すべてのスイッチ素子２７１は「ＯＦＦ」状態）で、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃが有意とし、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨが有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号は、スイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力する設定とする。そして、リセット指示信号Ｒが有意であり、かつ、サンプル指示信号ＳＨが有意の期間中に、出力電位リセット指示信号ｒを一時的に有意として、スイッチ素子２６４を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器２６３の出力端子と負入力端子とが一時的に短絡され、ホールド増幅器２６３の出力端子が接地電位に設定される。
【００５０】
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、垂直受光部１１０jの垂直走査における第１番目の受光素子１１０1,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号Ｖ1を出力する。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２２０によって瞬時に容量素子２２２に蓄積され電圧として出力される。続いて、容量素子２３０を介してオフセットが低減され、バッファ回路２５０によってインピーダンスが変換された後、光電変換素子１３０に蓄積された電荷量に応じた信号がサンプルホールド回路２６０に入力する。
【００５１】
サンプルホールド回路２６０では、バッファ回路２５０から出力された信号をスイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力し、バッファ回路２５０から出力された信号の電圧値に応じた電荷を容量素子２６２に蓄積する。
【００５２】
サンプリング時間の経過後、サンプル指示信号ＳＨを非有意として、スイッチ素子２６１を切換え、容量素子２６２の第１の端子をホールド増幅器２６３の出力端子に接続する。駆動制御信号Ｉｊが非有意の状態では、ホールド増幅器２６３は実質的に出力駆動を行なわないので、容量素子２６２に蓄積された電荷がホールドされる。
【００５３】
次いで、水平走査信号Ｈｊの設定により夫々の水平読み出し部２７０を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部１１０ｊのサンプルホールド回路２６０に駆動制御信号Ｉｊを水平走査信号Ｈｊに同期して有意として低出力インピーダンス化を指示する。サンプルホールド回路２６０のホールド増幅器２６３は、低インピーダンス化が指示されると、容量素子２６２蓄積された電荷に応じた信号を高速に出力する。こうして、高速に出力された信号を順次読み出すことにより、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jに応じた検出信号を順次読み出す。
【００５４】
なお、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃは、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部１１０jの第１番目の受光素子１２０1,jに応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００５５】
受光素子１２０1,jに応じた検出信号を順次読み出しが終了すると、水平走査信号Ｈjをいずれの垂直受光部に応じた信号をも出力選択しない状態に、垂直走査信号Ｖiをいずれの受光素子１１０i,jをも選択しない状態にし、上記と同様にして、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨが有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号は、スイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力する設定とする。そして、リセット指示信号Ｒが有意であり、かつ、サンプル指示信号ＳＨが有意の期間中に、出力電位リセット指示信号ｒを一時的に有意として、スイッチ素子２６４を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器２６３の出力端子と負入力端子とが一時的に短絡され、ホールド増幅器２３６の出力端子が接地電位に設定される。
【００５６】
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、垂直受光部１１０jの垂直走査における第２番目の受光素子１１０2,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号Ｖ2を出力する。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。
【００５７】
以後、受光素子１２０1,jと同様にして、受光素子１２０2,jに応じた検出信号を順次読み出す。
【００５８】
引き続き、各垂直受光部１１０jの受光素子１２０を順次指定しながら、各垂直受光部１１０jの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jの場合と同様にして、各垂直受光部１１０jの受光素子１２０に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部１００に入力した光像の撮像データを収集する。
【００５９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記実施形態では受光部を２次元構成としたが、図４に示すように、受光部を１次元構成、すなわち、上記実施形態においてｉ＝１の構成を採用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の固体撮像装置によれば、垂直受光部ごとに積分回路などの信号処理回路を設置するとともに、サンプルホールド回路を出力インピーダンスを制御可能なホールド増幅器を備えて構成し、外部回路負荷を駆動する信号読み出し時のみホールド増幅器を低インピーダンス化することとしたので、ホールド増幅器の低インピーダンス化に伴う高消費電力化する時間を短くすることができ、平均の消費電力を低減することが可能となるとともに、広いダイナミックレンジを確保しつつ、高速で外部に信号出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施形態の固体撮像装置のホールド増幅器の回路構成図である。
【図３】本発明の実施形態の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態の固体撮像装置の変形例の回路構成図である。
【図５】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１００…受光部、１１０…垂直受光部、１２０…受光素子、１３０…光電変換素子、１４０…スイッチ素子、２００…信号処理部、２１０…水平信号処理部、２２０…積分回路、２２１…電荷増幅器、２２２…容量素子、２２３…スイッチ素子、２３０…クランプ回路、２３１…容量素子、２３２…スイッチ素子、２５０…バッファ回路、２６０…サンプルホールド回路、２６１…スイッチ素子、２６２…容量素子、２６３…ホールド増幅器、２６４…スイッチ素子、２７０…水平読み出し部、２７１…スイッチ素子、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直走査部、３３０…水平走査部、３４０…制御信号部。
【産業上の利用分野】
本発明は、入力した１次元または２次元の光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有するフォトダイオード電荷を取り扱う場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
【０００３】
ＭＯＳ型イメージセンサでは、１次元または２次元光像を撮像するものは、１次元または２次元の配列されたフォトダイオードアレイに対して、１つのディスクリート増幅器を設置し、各フォトダイオードでの光検出信号を増幅後に取り出すという方式が従来から採用されてきた。近年、ＭＯＳ型イメージセンサの長所を活かしつつ、短い読み出し時間で、光量の小さい領域まで線形な光電変換特性の維持された光センサ装置が提案されている。
【０００４】
こうした装置は、フォトダイオードの出力をチャージアンプ回路、ソースフォロワ回路を介して、読み出している（「特開平５−２１５６０２号公報（従来例１）」、「J.C.Stanton, IEEE Transaction Nuclear Science, Vol.36, No.1, Feb. 1989, pp522-527（従来例２）」参照）。
【０００５】
図５は、従来例１に開示の装置の回路構成図である。なお、従来例２に開示の装置も本質的に同様の回路構成を有している。図５に示すように、（ａ）フォトダイオード９１０と、フォトダイオード９１０から出力された光検出信号を入力して、電荷積分を行なうチャージアンプ回路９２０とを備えるセンサ９３０1〜９３０Nと、（ｂ）走査回路９４０によって択一的に選択されたセンサ９３０iから出力された信号を入力して、クランプ処理するクランプ回路９５０と、クランプ回路９５０から出力された信号入力してソースフォロワ出力するソースフォロワ回路９６０とを備えるバッファ回路９７０とを備える。
【０００６】
この装置では、フォトダイオード９１０への光の入射によって発生した電荷による電流信号を、チャージアンプ回路９２０が入力して電荷積分を行なう。そして、走査回路９４０から出力される走査指示信号に応じて、択一的に選択されたセンサ９３０iから出力された信号である積分信号を、クランプ回路９５０を介した後にソースフォロワ回路９６０を介して、順次得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている光センサ装置は上記のように構成されるので、２次元のイメージセンサや、フォトダイオードと信号処理回路とを対にして１次元配列したイメージセンサを形成する場合に、以下のような問題点があった。
【０００８】
（１）直線性の問題
図５の装置では、ＭＯＳＦＥＴのソースフォロワ回路９６０によって、チャージアンプ回路９２０から出力される電荷積分結果をＭＯＳＦＥＴのゲートから入力し、ＭＯＳＦＥＴのソースから外部回路へ出力している。したがって、ゲート電位をＶＧ、ソース電位をＶＳとすると、
ＶＳ＝ＶＧ−Ｖｔｈ−（２Ｉ／Ｋｐ）1/2 …（１）
ここで、Ｖｔｈ：ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧
Ｉ ：ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流
Ｋｐ：ＭＯＳＦＥＴの製造パラメータ、サイズ等に起因する定数
が成立する。
【０００９】
ところで、Ｖｔｈはソース電位ＶＳによって変動する値であり、
Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋γ（（ＶＳ＋Ｖｂ）1/2−Ｖｂ1/2） …（２）
ここで、Ｖｔｈ０：ＭＯＳＦＥＴ固有のしきい値電圧
γ ：ＭＯＳＦＥＴ固有の基板定数
Ｖｂ ：ＭＯＳＦＥＴのベース電位
となる。なお、ベース電位Ｖｂは、ＮＭＯＳであれば一般的に接地されるなどして、一定の電位に固定される。（１）および（２）式より、ゲート電位ＶＧ、すなわち積分結果信号に対して、ソース電位ＶＳ、すなわち出力信号が線形な関係を保つことは困難である。
【００１０】
以上を防ぐために、ＭＯＳＦＥＴのウェル電位をソース電位ＶＳとすべく配線接続を施すと、ウェルによって寄生容量が大幅に増加してしまい、高速動作が困難となる。
【００１１】
（２）動作速度の問題
図５の装置では、走査回路９４０によりセンサ９３０ｉの選択が行なわれた瞬間に、（１）式に示したソース電位ＶＳとなるべく、ソース端子の寄生容量をチャージアップする。高速動作のため、ソース端子の寄生容量のチャージアップ速度を速めるには、ソースフォロワ回路に流す定常電流の値を増やす必要がある。
【００１２】
しかし、定常電流の値を増やすと、ソースフォロワ回路におけるゲートとソースとの間の電圧値が増加してしまう。この結果、出力信号電圧のダイナミックレンジが狭くなる。
【００１３】
以上を解決するために、ＭＯＳＦＥＴのサイズを大きくすると、寄生容量も増えることとなるので、高速動作が困難となる。
【００１４】
すなわち、図５の装置では、高速動作と出力のダイナミックレンジの確保とを両立させることができなかった。
【００１５】
上記の問題は、構成要素をアレイ化して集積する場合に特に深刻な問題点となる。
【００１６】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、集積化された場合であっても、出力信号のダイナミックレンジを確保しつつ、高速動作が可能であるとともに、消費電力を低減した固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体撮像装置は、入力した光像を撮像する固体撮像装置であって、
（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の前記スイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（ｂ）夫々の垂直受光部からの出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする第２の数の積分回路と、（ｃ）駆動制御信号を夫々入力するとともに、夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力して、サンプル指示信号に応じて電荷サンプル動作または電荷ホールド動作を行う第２の数のサンプルホールド回路であって、駆動制御信号が有意となると出力インピーダンスを低減する第２の数のサンプルホールド回路と、（ｄ）夫々のサンプルホールド回路から出力された信号を夫々入力し、水平走査信号に応じて択一的に出力する第２の数の水平読み出し部と、（ｅ）垂直走査信号、リセット指示信号、サンプル指示信号、および水平走査信号を発行するとともに、水平走査信号に同期して駆動制御信号を有意とするタイミング制御部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項１の固体撮像装置では、リセット指示信号を一時的に有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の第１のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を出力する。第１のスイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、サンプルホールド回路に入力する。
【００１９】
サンプルホールド回路では、サンプル指示信号に応じて、光電変換素子に蓄積された電荷量に応じた電荷量が蓄積され、水平読み出し部に入力する。サンプリング動作の終了と相前後して、垂直走査信号はいずれの受光素子をも選択しない状態に設定される。
【００２０】
次いで、水平走査信号の設定により夫々の水平読み出し部を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部のサンプルホールド回路に駆動制御信号により出力インピーダンス低減を指示する。サンプルホールド回路は、出力インピーダンス低減が指示されると、低出力インピーダンスで信号を出力する。こうして、高速に信号を出力して、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００２１】
なお、リセット指示信号は、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００２２】
垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出しが終了すると、水平走査信号をいずれの垂直受光部に応じた信号をも出力選択しない状態にし、リセット指示信号を非有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第２番目の受光素子の第１のスイッチ素子のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号を出力する。第１のスイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。
【００２３】
以後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子と同様にして、垂直走査における垂直受光部の第２番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００２４】
引き続き、各垂直受光部の受光素子を順次指定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の場合と同様にして、各垂直受光部の受光素子に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部に入力した光像の撮像データを収集する。
【００２５】
請求項２の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、サンプルホールド回路が、（i）積分回路から出力された信号を第１の端子から入力するとともに、サンプル指示信号が有意の場合には第１の端子と第２の端子とを接続し、サンプル指示信号が非有意の場合には第２の端子と第３の端子とを接続する第２のスイッチ素子と、（ii）第２のスイッチ素子の第２の端子と第１の端子とが接続された第２の容量素子と、（iii）第２の容量素子の第２の端子と仮想的に正入力端子に短絡している負入力端子とが接続され、正入力端子が基準電位に設定されるとともに、出力端子が第２のスイッチ素子の第３の端子と接続され、駆動制御信号が非有意の場合には、第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を実質的に行なわず、駆動制御信号が有意の場合には、第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を能動的に行なうホールド増幅器と、（iv）ホールド増幅器の負入力端子と第１の端子が接続され、ホールド増幅器の出力端子と第２の端子が接続されるとともに、出力電位リセット指示信号に応じて開閉する第３のスイッチ素子とを備えるとともに、タイミング制御部は、出力電位リセット指示信号を更に出力することを特徴とする。
【００２６】
請求項２の固体撮像装置では、リセット指示信号が有意の期間中にサンプル指示信号が有意となり、積分回路の出力が第２のスイッチ素子を介して第２の容量素子の第１の端子に入力する。そして、リセット指示信号が有意であり、かつ、サンプル指示信号が有意の期間中に、出力電位リセット指示信号を一時的に有意として、第３のスイッチ素子を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器の出力端子と負入力端子とを一時的に短絡され、ホールド増幅器の出力端子が基準電位に設定される。
【００２７】
サンプル指示信号を有意としたままで、リセット指示信号が非有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を出力し、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力され、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され電圧としてサンプルホールド回路に入力する。
【００２８】
サンプルホールド回路では、積分回路から出力された信号を第２のスイッチ素子を介して第２の容量素子の第１の端子に入力し、積分回路から出力された信号の電圧値に応じた電荷を第２の容量素子に蓄積する。
【００２９】
次に、駆動制御信号が非有意の状態でサンプル指示信号を非有意として、第２のスイッチ素子を切換え、第２の容量素子の第１の端子をホールド増幅器の出力端子に接続する。駆動制御信号が非有意の状態では、ホールド増幅器は低出力インピーダンス化されていないので、駆動電流が僅かであり、静的に第２の容量素子に蓄積された電荷がホールドされた状態であり、ホールド電圧をセーブする。
【００３０】
次いで、水平走査信号の設定により夫々の水平読み出し部を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部のサンプルホールド回路に駆動制御信号を水平走査信号に同期して有意として低出力インピーダンス化を指示する。サンプルホールド回路は、低インピーダンス化が指示されると、高速に信号出力を実行する。こうして、高速で出力された信号を順次読み出すことにより、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子に応じた検出信号を順次読み出す。
【００３１】
なお、リセット指示信号は、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部の第１番目の受光素子に応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００３２】
以後、第２番目以降の各垂直受光部の受光素子を順次指定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子の場合と同様にして、各垂直受光部の受光素子に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部に入力した光像の撮像データを収集する。
【００３３】
請求項３の固体撮像素子は、請求項１の固体撮像装置において、駆動制御信号が有意となるタイミングと水平走査信号が有意となるタイミングとが略同一であることを特徴とする。
【００３４】
請求項３の固体撮像素子では、駆動制御信号が有意となるタイミングと水平走査信号が有意となるタイミングとを略同一とするので、駆動制御信号の有意時間を最小化することが可能であり、消費電力を有効に低減することができる。
【００３５】
請求項４の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、積分回路とサンプルホールド回路との間に、（i）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、積分回路ごとのオフセット分を低減して出力する第３の容量素子と、第３の容量素子を介した信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じて第３の容量素子の信号出力端子を基準電位に短絡させるクランプ素子とを備える第２の数のクランプ回路と、（ii）夫々のクランプ回路から出力した信号を夫々入力し、インピーダンス変換して、サンプルホールド回路へ向けて出力する第２の数のバッファ回路とを更に備えるとともに、タイミング制御部はクランプ制御信号を更に出力することを特徴とする。
【００３６】
請求項４の固体撮像素子では、第３の容量素子により、積分回路の出力信号の直流成分がカットされ、クランプ回路によりサンプルホールド回路によるサンプル動作における信号の非有効期間での電荷蓄積が防止され、かつ、バッファ回路による低出力インピーダンスでのサンプルホールド回路への入力が行なわれる。この結果、低ノイズ化が可能となる。
【００３７】
【実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施例を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３８】
図１は、本発明の実施例の固体撮像装置の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号Ｖi（ｉ＝１〜Ｎ１）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１４０とを１組の受光素子１２０として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＮ１個配列され、夫々のスイッチ素子１４０の信号出力端子が電気的に接続された垂直受光部１１０が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ２個配列された受光部１００と、（ｂ）垂直受光部１１０j（ｊ＝１〜Ｎ２）からの出力信号を夫々個別に入力し、信号処理後に水平走査信号（Ｈj）に応じて択一的に信号を出力する水平信号処理部２１０jを備える信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００および信号処理部２００に動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部３００とを備える。
【００３９】
水平信号処理部２１０jは、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、リセット指示信号Ｒに応じて垂直受光部１１０jから出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号Ｒ＝非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号Ｒ＝有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ii）積分回路２２０から出力された信号を入力し、積分回路２２０のオフセット分低減して出力する容量素子２３１と、容量素子２３１を介した信号を入力し、クランプ指示信号Ｃに応じて容量素子２３１を介した信号を接地レベルに短絡させるクランプ用スイッチ２３２とを備えるクランプ回路２３０と、（iii）クランプ回路２３０を介した信号を入力し、入力信号をインピーダンス変換して出力するバッファ回路２５０と、（iv）バッファ回路２５０から出力された信号を夫々入力し、サンプル指示信号ＳＨに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２６０と、（v）サンプルホールド回路２６０から出力された信号を入力して、水平走査信号Ｈjに応じてインピーダンス変換信号を出力する水平読み出し部２７０とを備える。
【００４０】
積分回路２２０は、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力する電荷増幅器２２１と、（ii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、（iii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に第２の端子が接続され、リセット指示信号Ｒが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号Ｒが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
【００４１】
サンプルホールド回路２６０は、（i）バッファ回路２５０から出力された信号を端子２６１1から入力するとともに、サンプル指示信号ＳＨが有意の場合には端子２６１1と端子２６１2とを接続し、サンプル指示信号ＳＨが非有意の場合には端子２６１2と端子２６１3とを接続するスイッチ素子２６１と、（ii）スイッチ素子２６１の端子２６１2と第１の端子とが接続された容量素子２６２と、（iii）容量素子２６２の第２の端子と仮想的に正入力端子に短絡している負入力端子とが接続され、正入力端子が接地されるとともに、出力端子とスイッチ素子２６１の端子２６１3とが接続され、駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には、高出力インピーダンス化され、駆動電流が小さく、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には、低出力インピーダンス化され、駆動電流が大きいが高速で信号を出力するホールド増幅器２６３と、（iv）ホールド増幅器２６３の負入力端子と第１の端子が接続され、ホールド増幅器２６３の出力端子と第２の端子が接続されるとともに、出力電位リセット指示信号ｒに応じて開閉するスイッチ素子２６４とを備える。
【００４２】
図２は、ホールド増幅器２６３の構成例の詳細回路構成図である。図２に示すように、ホールド増幅器２６３は、直列接続されたトランジスタＱ１〜Ｑ３と直列接続されたトランジスタＱ４〜Ｑ６とを並列接続した、一般的な差動増幅器の構成を有するとともに、駆動能力が小さなトランジスタＱ３には常時バイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給され、駆動能力の大きなトランジスタＱ６には、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には閉じ、駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には開くスイッチＳＷを介してバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給される。
【００４３】
駆動制御信号Ｉｊが非有意の場合には、トランジスタＱ３が動作状態であるが、トランジスタＱ６が動作状態になく、トランジスタＱ３に印加されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓのみでホールド増幅器２６３が動作しているので、高出力インピーダンス化されており、極めて低い消費電力しか必要とせず、非常に静的に容量２６２に電荷がホールドされた状態となる。
【００４４】
一方、駆動制御信号Ｉｊが有意の場合には、トランジスタＱ３に加えて、トランジスタＱ６が動作状態となるので、消費電力は増加するが、低出力インピーダンス化される。この結果、負荷駆動能力が高まり、高速で信号出力が可能となる。
【００４５】
また、ソースフォロワの構成をとらず、増幅器の構成をとるとともに、低出力インピーダンスで信号出力を行なうので、ダイナミックレンジを確保しつつ、高速動作が可能となる。
【００４６】
水平読み出し部２７０は、サンプルホールド回路２６０から出力された信号を一方の端子で入力し、水平走査信号Ｈjの指定に応じて「ＯＮ」状態と「ＯＦＦ」状態とが切り替わるスイッチ素子２７１を備える。
【００４７】
タイミング制御部３００は、（i）基本タイミング信号を発生する基本タイミング部３１０と、（ii）基本タイミング部３１０から通知された垂直走査指示に従って、垂直走査信号Ｖiを発生する垂直走査部３２０と、（iii）基本タイミング部３１０から通知された水平走査指示に従って、水平走査信号Ｈjおよび駆動制御信号Ｉjを発生する水平走査部３３０と、（iv）基本タイミング部３１０から通知された基本タイミングに従って、サンプル指示信号ＳＨ、クランプ指示信号Ｃ、リセット指示信号Ｒ、出力電位リセット指示信号ｒを発生する制御信号部３４０とを備える。
【００４８】
本実施例の装置は、以下のようにして、受光部１００に入力した光像データを収集する。図３は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００４９】
本実施例の固体撮像装置では、タイミング制御回路３００が、水平走査信号Ｈjをいずれの垂直受光部に応じた信号も出力選択しない状態（すなわち、すべてのスイッチ素子２７１は「ＯＦＦ」状態）で、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃが有意とし、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨが有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号は、スイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力する設定とする。そして、リセット指示信号Ｒが有意であり、かつ、サンプル指示信号ＳＨが有意の期間中に、出力電位リセット指示信号ｒを一時的に有意として、スイッチ素子２６４を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器２６３の出力端子と負入力端子とが一時的に短絡され、ホールド増幅器２６３の出力端子が接地電位に設定される。
【００５０】
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、垂直受光部１１０jの垂直走査における第１番目の受光素子１１０1,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号Ｖ1を出力する。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２２０によって瞬時に容量素子２２２に蓄積され電圧として出力される。続いて、容量素子２３０を介してオフセットが低減され、バッファ回路２５０によってインピーダンスが変換された後、光電変換素子１３０に蓄積された電荷量に応じた信号がサンプルホールド回路２６０に入力する。
【００５１】
サンプルホールド回路２６０では、バッファ回路２５０から出力された信号をスイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力し、バッファ回路２５０から出力された信号の電圧値に応じた電荷を容量素子２６２に蓄積する。
【００５２】
サンプリング時間の経過後、サンプル指示信号ＳＨを非有意として、スイッチ素子２６１を切換え、容量素子２６２の第１の端子をホールド増幅器２６３の出力端子に接続する。駆動制御信号Ｉｊが非有意の状態では、ホールド増幅器２６３は実質的に出力駆動を行なわないので、容量素子２６２に蓄積された電荷がホールドされる。
【００５３】
次いで、水平走査信号Ｈｊの設定により夫々の水平読み出し部２７０を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部１１０ｊのサンプルホールド回路２６０に駆動制御信号Ｉｊを水平走査信号Ｈｊに同期して有意として低出力インピーダンス化を指示する。サンプルホールド回路２６０のホールド増幅器２６３は、低インピーダンス化が指示されると、容量素子２６２蓄積された電荷に応じた信号を高速に出力する。こうして、高速に出力された信号を順次読み出すことにより、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jに応じた検出信号を順次読み出す。
【００５４】
なお、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃは、サンプリング動作の終了の後、垂直走査における垂直受光部１１０jの第１番目の受光素子１２０1,jに応じた水平走査が終了するまでに有意に設定される。
【００５５】
受光素子１２０1,jに応じた検出信号を順次読み出しが終了すると、水平走査信号Ｈjをいずれの垂直受光部に応じた信号をも出力選択しない状態に、垂直走査信号Ｖiをいずれの受光素子１１０i,jをも選択しない状態にし、上記と同様にして、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨが有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号は、スイッチ素子２６１を介して容量素子２６２の第１の端子に入力する設定とする。そして、リセット指示信号Ｒが有意であり、かつ、サンプル指示信号ＳＨが有意の期間中に、出力電位リセット指示信号ｒを一時的に有意として、スイッチ素子２６４を一時的に閉じる。この結果、ホールド増幅器２６３の出力端子と負入力端子とが一時的に短絡され、ホールド増幅器２３６の出力端子が接地電位に設定される。
【００５６】
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒおよびクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、垂直受光部１１０jの垂直走査における第２番目の受光素子１１０2,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」状態とする垂直走査信号Ｖ2を出力する。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。
【００５７】
以後、受光素子１２０1,jと同様にして、受光素子１２０2,jに応じた検出信号を順次読み出す。
【００５８】
引き続き、各垂直受光部１１０jの受光素子１２０を順次指定しながら、各垂直受光部１１０jの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jの場合と同様にして、各垂直受光部１１０jの受光素子１２０に応じた検出信号を順次読み出すことにより、受光部１００に入力した光像の撮像データを収集する。
【００５９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記実施形態では受光部を２次元構成としたが、図４に示すように、受光部を１次元構成、すなわち、上記実施形態においてｉ＝１の構成を採用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の固体撮像装置によれば、垂直受光部ごとに積分回路などの信号処理回路を設置するとともに、サンプルホールド回路を出力インピーダンスを制御可能なホールド増幅器を備えて構成し、外部回路負荷を駆動する信号読み出し時のみホールド増幅器を低インピーダンス化することとしたので、ホールド増幅器の低インピーダンス化に伴う高消費電力化する時間を短くすることができ、平均の消費電力を低減することが可能となるとともに、広いダイナミックレンジを確保しつつ、高速で外部に信号出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施形態の固体撮像装置のホールド増幅器の回路構成図である。
【図３】本発明の実施形態の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態の固体撮像装置の変形例の回路構成図である。
【図５】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１００…受光部、１１０…垂直受光部、１２０…受光素子、１３０…光電変換素子、１４０…スイッチ素子、２００…信号処理部、２１０…水平信号処理部、２２０…積分回路、２２１…電荷増幅器、２２２…容量素子、２２３…スイッチ素子、２３０…クランプ回路、２３１…容量素子、２３２…スイッチ素子、２５０…バッファ回路、２６０…サンプルホールド回路、２６１…スイッチ素子、２６２…容量素子、２６３…ホールド増幅器、２６４…スイッチ素子、２７０…水平読み出し部、２７１…スイッチ素子、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直走査部、３３０…水平走査部、３４０…制御信号部。
Claims (4)
- 入力した光像を撮像する固体撮像装置であって、
入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から前記光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の前記スイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、
夫々の前記垂直受光部からの出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて前記垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする前記第２の数の積分回路と、
駆動制御信号を入力するとともに、夫々の前記積分回路から出力された信号を夫々入力して、サンプル指示信号に応じて電荷サンプル動作または電荷ホールド動作を行う前記第２の数のサンプルホールド回路であって、前記駆動制御信号が有意となると出力インピーダンスを低減する前記第２の数のサンプルホールド回路と、
夫々の前記サンプルホールド回路から出力された信号を夫々入力し、水平走査信号に応じて択一的に出力する第２の数の水平読み出し部と、
前記垂直走査信号、前記リセット指示信号、前記サンプル指示信号、および水平走査信号を発行するとともに、前記水平走査信号に同期して前記駆動制御信号を有意とするタイミング制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記サンプルホールド回路は、
前記積分回路から出力された信号を第１の端子から入力するとともに、前記サンプル指示信号が有意の場合には前記第１の端子と第２の端子とを接続し、前記サンプル指示信号が非有意の場合には前記第２の端子と第３の端子とを接続する第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子の第２の端子と第１の端子とが接続された第２の容量素子と、
前記第２の容量素子の第２の端子と仮想的に正入力端子に短絡している負入力端子とが接続され、前記正入力端子が基準電位に設定されるとともに、出力端子が前記第２のスイッチ素子の第３の端子と接続され、前記駆動制御信号が非有意の場合には、前記第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を実質的に行なわず、前記駆動制御信号が有意の場合には、前記第２の容量素子に蓄積された電荷の放出を能動的に行なうホールド増幅器と、
前記ホールド増幅器の負入力端子と第１の端子が接続され、前記ホールド増幅器の出力端子と第２の端子が接続されるとともに、出力電位リセット指示信号に応じて開閉する第３のスイッチ素子を備えるとともに、前記タイミング制御部は、前記出力電位リセット指示信号を更に出力する、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記駆動制御信号が有意となるタイミングと前記水平走査信号が有意となるタイミングとは略同一である、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記積分回路と前記サンプルホールド回路との間に、
夫々の前記積分回路から出力された信号を夫々入力し、前記積分回路ごとのオフセット分を低減して出力する第３の容量素子と、前記第３の容量素子を介した信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じて前記第３の容量素子の信号出力端子を基準電位に短絡させるクランプ素子とを備える前記第２の数のクランプ回路と、
夫々の前記クランプ回路から出力した信号を夫々入力し、インピーダンス変換して、前記サンプルホールド回路へ向けて出力する前記第２の数のバッファ回路と、
を更に備えるとともに、前記タイミング制御部は前記クランプ制御信号を更に出力する、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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