JP3862683B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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本発明は、各々独立に駆動でき、出力条件が決められる光電変換ブロックを複数配置してなる固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion blocks that can be driven independently and whose output conditions are determined are arranged.
一般に、固体撮像装置は光電変換方式として、CCDタイプとMOSタイプ、バイポーラタイプ等で読み出される種々の方式があり、ビデオカメラ等には画質に優れるというCCDタイプがよく用いられている。一方、後2者であっても、近年ノイズ耐性が向上し、低消費電力化が図られ、周辺回路を含めたワンチップ化が可能で、小型化できるというメリットによって、注目されている。 In general, solid-state imaging devices have various photoelectric readout methods such as a CCD type, a MOS type, and a bipolar type, and a CCD type that is excellent in image quality is often used for video cameras and the like. On the other hand, the latter two have been attracting attention because of their merit that noise resistance has improved in recent years, low power consumption has been achieved, one-chip including peripheral circuits can be realized, and miniaturization is possible.
また、近年光電変換素子をブロック化して、駆動、出力条件を独立に決められる光電変換ブロックを形成する例が提案されている。この光電変換ブロックを複数配置してなる固体撮像装置における、1つの光電変換ブロック例を図3に示して説明する。同図は1次元イメージセンサであり、1は光電変換画素であり、バイポーラトランジスタ2とそのベースリセット用MOSトランジスタ3とで構成され、特にバイポーラトランジスタ2のベース領域に構成される不図示のPN接合部に光を照射して、光発生電荷の蓄積によって生じるベース電位上昇分となる信号電圧を、バイポーラトランジスタ2のエミッタから出力する。この画素1は、図3に示すように、1ラインに亘って複数個が配置されている。
In recent years, an example has been proposed in which photoelectric conversion elements are formed into blocks, and photoelectric conversion blocks in which drive and output conditions can be determined independently are formed. An example of one photoelectric conversion block in a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion blocks are arranged will be described with reference to FIG. This figure is a one-dimensional image sensor, 1 is a photoelectric conversion pixel, which is composed of a
また、50は画素1のベースリセット用電圧供給源、4はバイポーラトランジスタ2のエミッタに接続された画素出力線、5は画素出力線4のリセット用MOSトランジスタ、6はそのベースが出力線4に接続するバイポーラトランジスタであり、そのエミッタは各列におけるバイポーラトンンジスタ6のエミッタと共通の接続線7につながっている。バイポーラトランジスタ6は光電変換出力の最大出力検知をする役目をしており、接続線7には、画素アレイの最大出力に相当する電圧が出てくる。
また、8は画素の出力電圧を蓄積する蓄積容量、9は画素出力線4と容量8とを接続、切り離しをするスイッチ用MOSトランジスタ、10は容量8を選択するMOSトランジスタスイッチ、11はMOSトランジスタスイッチ10のゲートに制御信号を出力してスイッチ10を順次選択するシフトレジスタ、12は選択された容量8から読み出された光電荷を読み出す出力線、13は出力線12が入力されるアンプ、14はアンプ13の出力端子、15は出力線7の出力値の大小を判断する比較器、16はこの光電変換ブロックを駆動、制御する制御回路であり、17はシフトレジスタ11を駆動する、例えばクロック信号と反転クロック信号、スタート信号用の駆動線、18,19,20はそれぞれMOSトランジスタ3,5,9のゲート駆動パルスを印加するための駆動線、21は比較器15の比較電位を供給する配線、22は比較器15の出力をラッチするラッチ回路、23はアンプ13のゲインを制御するための制御線である。
8 is a storage capacitor for storing the output voltage of the pixel, 9 is a switching MOS transistor for connecting and disconnecting the
図3に示す例においては、画素1、容量8、及びラッチ回路22を一斉にリセットした後、駆動線20はハイレベルのままスイッチ9を導通としておく。画素1に信号電荷が蓄積されるにつれ画素出力線4、及び容量8の電位も上昇するが、これらの画素出力の最大値に相当する出力が、配線21で決められる比較電位を越えると比較器15の出力が反転し、ラッチ回路22が切り替わることにより、配線20がLowとなり、スイッチ9がオフとなる。したがって、蓄積容量8にはその時点までに画素に蓄積された信号が保持されることになる。また、アンプ13のゲインを決める制御電圧を供給する制御線23は、配線21の設定電位や、ラッチが切り替わるまでの時間で決められる。
In the example shown in FIG. 3, after resetting the pixel 1, the capacitor 8, and the
図3のような光電変換ブロックを複数持つ固体撮像装置においては、各ブロックにおける光強度が著しく異なる場合でも、各ブロックの画素信号の蓄積時間も異なり、同レベルの出力値を得ることができる。また図3においてはバイポーラ型の画素を例としたが、一般にどのような光電変換画素であってもよく、また画素出力のモニターも最大値検出に限らず、最小値検出あるいは、最大値と最小値の差分検出などであってもよい。 In a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion blocks as shown in FIG. 3, even when the light intensity in each block is significantly different, the accumulation time of pixel signals in each block is different, and an output value of the same level can be obtained. In FIG. 3, a bipolar pixel is taken as an example, but generally any photoelectric conversion pixel may be used, and the monitor of the pixel output is not limited to the maximum value detection, either the minimum value detection or the maximum value and the minimum value. It may be a value difference detection or the like.
しかしながら、上記従来例のような光電変換ブロックが少数で、各ブロックを離れた位置において形成するような場合は問題がないが、光電変換ブロックの数が多くなり、各ブロックの光電変換部を密に配置するという要請が出てくる場合には、駆動制御回路16とシフトレジスタ11を配置するスペースが割り当てられなくなるという問題があった。
However, there is no problem when there are a small number of photoelectric conversion blocks as in the above-mentioned conventional example and each block is formed at a position away from each other. However, the number of photoelectric conversion blocks increases, and the photoelectric conversion units of each block become dense. When a request to place the
本発明は、光電変換ブロックが多数かつ密に配置される場合であっても、それらを独立に駆動、制御する手段を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide means for independently driving and controlling a plurality of photoelectric conversion blocks even when they are arranged densely.
本発明は、上記目的を達成するため、複数の光電変換画素からなる光電変換ブロックが複数設けられてなる光電変換部と、前記複数の光電変換画素それぞれに対応する複数の信号保持手段と、前記光電変換ブロックのひとつまたは複数の前記光電変換ブロックの信号を独立に出力線へ出力し、更に、前記出力線の信号を前記信号保持手段へ転送する駆動回路と、前記光電変換画素の信号を基準値と比較する比較回路と、前記比較回路の出力に基づいて制御される前記光電変換ブロック毎の信号蓄積時間が少なくとも書き込まれ、且つ、前記光電変換ブロック毎にアドレスが割り当てられたメモリと、を備え、前記駆動回路により、前記メモリの前記光電変換ブロック毎に割り当てられたアドレスにアクセスし、前記メモリに記録された前記光電変換ブロック毎の信号蓄積時間に応じて、前記出力線から信号保持手段への信号の転送を制御することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a photoelectric conversion unit in which a plurality of photoelectric conversion blocks each including a plurality of photoelectric conversion pixels are provided, a plurality of signal holding units corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion pixels, One or more photoelectric conversion block signals of a photoelectric conversion block are independently output to an output line, and further, a drive circuit for transferring the signal of the output line to the signal holding means, and a signal of the photoelectric conversion pixel as a reference A comparison circuit for comparing with a value, and a memory in which at least a signal accumulation time for each photoelectric conversion block controlled based on an output of the comparison circuit is written and an address is assigned to each photoelectric conversion block, And the drive circuit accesses an address assigned to each photoelectric conversion block of the memory and records the light recorded in the memory. In response to a signal storage time of each transform block, and controlling the transfer of signals to the signal holding means from the output line.
本発明によれば、密に配列することが要請される光電変換部のブロックに対しても、各ブロック毎に独立の駆動、制御を行なうことが可能となる。 According to the present invention, it is possible to perform independent driving and control for each block even for blocks of photoelectric conversion units that are required to be arranged densely.
また、光電変換ブロックの数が多くなり、各ブロックの光電変換部を密に配置するという必要があっても、駆動制御回路とシフトレジスタを配置するスペースが割り当てられなくなるということも問題とならず、大多数の光電変換ブロックにも容易に対応することができる。 In addition, even if the number of photoelectric conversion blocks increases and the photoelectric conversion units of each block need to be densely arranged, the space for arranging the drive control circuit and the shift register cannot be allocated. It is possible to easily cope with the majority of photoelectric conversion blocks.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について、図1を参照しつつ詳細に説明する。同図において、1は光電変換画素であり、図3と同様にリセットMOSトランジスタと光電変換素子のPN接合部をベースに有するバイポーラトランジスタとから構成され、一般に読み出し動作において、信号は非破壊で読み出されるものとする。また、24は光電変換部ブロックを示し、ここでは24−1,24−2,24−3,24−4と4つのブロックが形成されていることを示す。25は光電変換画素の駆動線、26は各光電変換画素に対応するアナログメモリセルであり、この図ではメモリとしての容量8と、スイッチ51とで構成され、スイッチ51のゲートをオン/オフして、メモリの書き込み、読み出しを行なう駆動線27により駆動される。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a photoelectric conversion pixel, which is composed of a reset MOS transistor and a bipolar transistor having a PN junction portion of a photoelectric conversion element as a base, as in FIG. 3. In general, in a read operation, a signal is read nondestructively. Shall be. Reference numeral 24 denotes a photoelectric conversion unit block, in which four blocks 24-1, 24-2, 24-3, and 24-4 are formed.
また、28はデコーダであり、アドレス線32によって駆動するブロックが選ばれる。また、29はデコーダ28−1の出力により駆動線25を選択するバッファ、30はデコーダ28−2の出力を受けてアナログメモリの駆動線27を選択するバッファ、31は各ブロックの制御条件を書き込んでおくデジタルメモリであり、デコーダ28−3の出力によりアクセスされる。33は光電変換画素ブロックを駆動するための、駆動制御回路16から出力される配線、また、34はアナログメモリブロック用の駆動制御回路16から出力する駆動線、35はデジタルメモリ31に情報を書き込むための配線、36はデジタルメモリ31の情報を読み出すための配線である。なお、図3と共通の符号番号について重複する説明を省略する。
次に、本実施形態の動作について説明する。本実施形態においては、最初、画素1を含む光電変換部及び、容量8を含むアナログメモリ部、デコーダ28−3を含むデジタルメモリ部をすべてリセットしてから駆動が開始される。光電変換部のリセットは駆動線25の電位を負としてリセットMOSトランジスタ3を活性化した後、駆動線25の電位を正としてトランジスタ1を活性化すると同時に、MOSトランジスタ5をオンする。この時、ベース電流が流れてトランジスタ1のベースがリセットされ、その後駆動線25をGNDに戻すことで、トランジスタ1は逆バイアスとなる。また、アナログメモリ部のリセットはスイッチ51及びスイッチ9をオンして、MOSトランジスタ5を通じて接地電位に落とされる。デジタルメモリ部のリセットは、全アドレスに”1”又は”0”を書き込んでリセットする。
Next, the operation of this embodiment will be described. In this embodiment, first, the photoelectric conversion unit including the pixel 1, the analog memory unit including the capacitor 8, and the digital memory unit including the decoder 28-3 are all reset, and then driving is started. The photoelectric conversion unit is reset by activating the reset MOS transistor 3 with the potential of the
つぎに、駆動制御回路16より出力するアドレス線を切り替えていき光電変換部ブロック24−1,24−2,24−3,24−4の順に繰り返し読み出しを行なっていくが、各ブロックの選択時に、デジタルメモリ31の情報もアクセスする。
Next, the address lines output from the
ある時間経過して、例えばブロック24−2の出力がコンパレータ15を反転させた時、即ち、ブロック24−2の画素内の光電変換電荷のいずれかが配線21からのしきい値よりも大きくなったとき、アナログメモリのブロック24−2に対応するブロックに書き込みを行なうためのパルスを配線34に印加する。同時にデジタルメモリ31のブロック24−2に対応するアドレス番地に、信号転送がなされたこと、その時の信号蓄積時間、最終的にアナログメモリから出力を行なう時のアンプゲイン等の情報を書き込む。一巡して再びブロック24−2の駆動を行なう時、コンパレータ15が反転しても、デジタルメモリ31からアクセスしたブロック24−2に対応するアドレス番地の情報に従って、駆動制御回路16はアナログメモリへの書き込みパルスは出さず、デジタルメモリ31への再書き込みも行なわない。このため、アナログメモリ、デジタルメモリ31には、光電変換ブロックのモニター出力が最初に所定レベルに達した時の情報が保持される。
After a certain period of time, for example, when the output of the block 24-2 inverts the
最終的に光電変換部の駆動が終わると、スイッチ9がオフし、シフトレジスタ11の走査に従って、アナログメモリからの出力を読み出すが、アナログメモリのブロックを指定する時に、そのブロックに相当するデジタルメモリ31の情報もアクセスして、それに指定されたアンプゲインを指定して、出力線12からアンプ13を介して出力信号14から読み出しを行なう。
When the driving of the photoelectric conversion unit is finally finished, the
以上説明したように、光電変換部及びアナログメモリの各ブロック毎の制御情報を入出力できるデジタルメモリ31を設けることによって、密に配列された複数の光電変換ブロック24−1,−2,−3,−4を、共通の駆動回路、共通のモニター回路、共通のシフトレジスタ、共通の出力アンプを使って独立に駆動、制御ができるようになった。
As described above, by providing the
(第2の実施形態)
図2は本発明第2の実施形態を示す図であり、同図において、光電変換画素アレイの中で、第1行目と第3行目は、それぞれ2つの光電変換ブロックに分かれており、すなわち、24−1−1と24−1−2及び24−3−1と24−3−2にわかれているようなブロック配置をなす場合を示す。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, in the photoelectric conversion pixel array, the first row and the third row are each divided into two photoelectric conversion blocks, That is, a case is shown in which block arrangements such as 24-1-1 and 24-1-2 and 24-3-1 and 24-3-2 are arranged.
図2において、40は検知回路6と出力線7とを接続するスイッチ用MOSトランジスタであり、そのオン/オフは駆動制御回路16からの出力線41によってなされる。アナログメモリ部も光電変換部のブロック配置に相当するように、第1行と第3行目は2本の駆動線42,43が出る。光電変換部は駆動線25は第1行目と第3行目、第2行目等と同等に配置され、デコーダ28−1からバッファ29を介して画素1を駆動する。一方、蓄積容量8を有するアナログメモリ部は上述のように行分割の光電変換ブロックに応じて駆動線42,43に分けて、デコーダ28−2からバッファ30を介して蓄積容量を制御できる構成になっている。
In FIG. 2,
また、デジタルメモリ部37はアドレス線32により選択された行が、1つのブロックであるか、2つのブロックからなるかを示すROM(リードオンリーメモリ、読出し専用記憶装置)である。ROM37の出力38は選択された行が1ブロックの時はLow、2ブロックの時はHighとなるように決められる。従って、駆動制御回路16がアドレス線32を指示した場合には、そのアドレスが行のブロックが分割されているのかどうかを出力38のフィードバックから容易に知ることができる。
The
また、出力38がHighの時は、その選択された行に属する2つのブロックの選択がアドレス線39によって決められる。また出力38がLowの時は、制御線41は2本同時にオンし、出力38がHighの時は、2つのブロックを別々に選択するため、制御線41の2本の制御線は交互にオンのパルスを出力する。よって、駆動制御回路16は容易に検知回路6からの光電電荷の最大値を行の2ブロック毎に検出することができ、出力線7にその検出レベルを出力してコンパレータ15でしきい値と比較して、光電電荷を正確にデジタルメモリ31に格納することができるとともに、アナログメモリ部から出力線12に読み出して、アンプ13を介して、画像信号を出力することができる。
When the
またアドレス線39は、アナログメモリ用バッファ30にも入力し、1つの行に対し、2つのブロックがある時には、そのブロックを別々に制御できるようにしている。 The address line 39 is also input to the analog memory buffer 30. When there are two blocks for one row, the blocks can be controlled separately.
図2において、図1と共通の符号番号をつけたものは共通の機能を有し、重複する説明を省くが、このように、1つの行に複数のブロックを有するような配置においても、デジタルメモリ31に、その行毎のブロック配列パターンを区別させるROMを付加することにより、複数の光電変換ブロックに対し、共通の検知、駆動、回路を使って各ブロック独立の駆動、制御を行なうことを可能にできる。
2 having the same reference numerals as those in FIG. 1 have a common function, and redundant description is omitted. Thus, even in an arrangement having a plurality of blocks in one row, digital By adding a ROM for distinguishing the block arrangement pattern for each row to the
1 光電変換画素
2 バイポーラトランジスタ
3 MOSトランジスタ
4 出力線
5 リセットMOSトランジスタ
6 出力モニター素子
7 出力線
8 蓄積容量
9 MOSトランジスタ
10 MOSトランジスタ
11 シフトレジスタ
12 出力線
13 アンプ
14 出力端子
15 比較器(コンパレータ)
16 駆動回路
17,18,19,20 駆動配線
21 基準電位
22 ラッチ回路
23 ゲイン制御線
24 光電変換ブロック
25 行選択線(駆動線)
26 アナログメモリ画素
27 行選択線
28 デコーダ
29,30 バッファ回路
31 デジタルメモリ
32 アドレス線
33,34 駆動線
35 書き込み線
36 読出し線
37 ROM
38 メモリ出力線
39 アドレス線
40 スイッチMOSトランジスタ
41 制御線
42,43 駆動線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
16
26
38 Memory output line 39
Claims (4)
前記複数の光電変換画素それぞれに対応する複数の信号保持手段と、
前記光電変換ブロックのひとつまたは複数の前記光電変換ブロックの信号を独立に出力線へ出力し、更に、前記出力線の信号を前記信号保持手段へ転送する駆動回路と、
前記光電変換画素の信号を基準値と比較する比較回路と、
前記比較回路の出力に基づいて制御される前記光電変換ブロック毎の信号蓄積時間が少なくとも書き込まれ、且つ、前記光電変換ブロック毎にアドレスが割り当てられたメモリと、を備え、
前記駆動回路により、前記メモリの前記光電変換ブロック毎に割り当てられたアドレスにアクセスし、前記メモリに記録された前記光電変換ブロック毎の信号蓄積時間に応じて、前記出力線から信号保持手段への信号の転送を制御することを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit provided with a plurality of photoelectric conversion blocks each including a plurality of photoelectric conversion pixels ;
A plurality of signal holding means corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion pixels;
A drive circuit for independently outputting a signal of one or a plurality of the photoelectric conversion blocks of the photoelectric conversion block to an output line, and further transferring a signal of the output line to the signal holding unit;
A comparison circuit that compares a signal of the photoelectric conversion pixel with a reference value;
A signal storage time for each photoelectric conversion block controlled based on an output of the comparison circuit is written at least, and an address is assigned to each photoelectric conversion block, and
The drive circuit accesses an address assigned to each photoelectric conversion block of the memory, and from the output line to the signal holding means according to the signal accumulation time for each photoelectric conversion block recorded in the memory. A solid-state imaging device that controls signal transfer .
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