JP3940618B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像装置に関する。特に、固体撮像装置において強い光が入射した際の画素部の信号低減を抑制する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像領域内に増幅器を有する固体撮像装置が知られている。しかし、このような固体撮像装置では、強い光が入射した際に画素からの信号量が低下する現象があった。この現象が発生すると、像は、あたかも光が入っていないかのように黒くなってしまう。
【０００３】
上記現象の原因は、画素からの信号読み出し時の前に行われるリセット動作時に、信号線の電位が低下することにある。リセット時には、各画素に接続された信号線が一定の基準電位に固定される。画素からの読み出し信号は、この基準電位との電位差として信号線に検出される。しかし、固体撮像装置に強い光が入射すると、画像を読み取るフォトダイオード以外の部分で光電変換が起きる。この光電変換によって余計な電子が発生することにより、信号線の電位が基準電位から低下していく。その結果、入射する光が強いほど画素からの読み出し信号が小さくなり、画像が黒くなってしまうのである。
【０００４】
この問題を解決するための手段の一つが、例えば特開2000-287131号に為されている。本公報記載の技術では、基準電圧を発生する電圧発生器を設けている。また、比較器によって、リセット時の信号線の電位が所定の範囲内にあるか否かを監視している。信号線の電位が所定の範囲を超えて低下している場合には、パルス合成器により信号置換パルスを発生する。そして、信号置換パルスが発生された場合には、電圧発生器の供給する基準電圧が、セレクタによって信号線に与えられる。その結果、リセット時の信号線の電位を基準電位に固定することが出来、強い光が入射した場合であっても、正常な像を取り込むことが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の技術であると、パルス合成器や電圧発生器等、新たに付加すべき固体撮像装置の構成要件が多くなるという問題があった。
【０００６】
この発明は、構成を簡略化しつつ、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記信号線の電位に応じて前記信号線に第２基準電位を与える補正手段と、第３基準電位を発生する第３基準電位発生手段とを具備し、前記補正手段は、第１ノードと、前記リセット動作時に制御電位が与えられた第２ノードとの間を、前記信号線の電位が所定の値より高い場合には接続し、低い場合には非接続とする検知部と、前記第１ノードと、前記第３基準電位発生手段により発生された前記第３基準電位が与えられる第３基準電位ノードとの間を、前記補正命令信号がアサートされている期間に接続し、ネゲートされている期間に非接続とする電圧置換部と、前記第２ノードの電位に応答して動作し、前記第２ノードの電位が前記制御電位の際には動作状態であり前記信号線に前記第２基準電位を与え、非制御電位の際には非動作状態である第２基準電位発生手段とを具備する。
【０００９】
また、この発明に係る第２の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、前記信号線の電位を増幅する増幅手段と、前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記増幅手段で増幅された信号線の電位が所定の値より大きく変化したか否かを検出する手段を含み、大きく変化したことを検出した場合に前記信号線に第２基準電位を与える補正手段とを具備する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１７】
この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図１を用いて説明する。図１は、MOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
図示するように、固体撮像装置10は単位画素20、補正回路30、クランプ回路40、サンプルホールド回路50、垂直方向選択回路60-1、及び水平方向選択回路60-2を備えている。
【００１９】
単位画素20は、図１においては3×3個しか示していないが、これは一例に過ぎず、その数は特に限定されるものではない。複数の単位画素20はマトリクス状に配置され、垂直信号線2に列毎に共通接続されている。また同一行の単位画素20は、垂直方向選択回路60-1により与えられるアドレス信号AD、リセット信号RS、及び読み出し信号RDによって制御される。
【００２０】
補正回路30は、垂直信号線2毎に設けられ、垂直方向選択回路60-1により与えられる補正アドレス信号ADJ-AD、補正リセット信号ADJ-RS、及び補正命令信号ADJによって制御される。
【００２１】
クランプ回路40は、各垂直信号線2の一端に接続されており、垂直信号線2に読み出された信号をクランプする。なお、垂直信号線2の他端はロードトランジスタ3を介して接地電位に接続されている。
【００２２】
サンプルホールド回路50は、上記クランプ回路40でクランプされた信号を標本化して保持する。そして、サンプルホールド回路50で保持された信号は、読み出し用トランジスタ4を介して出力ノードOUTに出力される。読み出し用トランジスタ4のゲートは、水平方向選択回路60-2によって制御される。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）は、固体撮像装置の一部領域の具体的構成を示す回路図であり、（ａ）図は単位画素及び補正回路、（ｂ）図はクランプ回路について示している。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、単位画素20は、フォトダイオード21及び電圧出力部22を備えている。フォトダイオード21は、入射光に応じて電荷を発生する。電圧出力部22は、アドレストランジスタ23、リセットトランジスタ24、読み出しトランジスタ25、及び出力トランジスタ26を有している。アドレストランジスタ23は、アドレス信号ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。リセットトランジスタ24は、リセット信号RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。読み出しトランジスタ25は、読み出し信号RDが入力されるゲート、フォトダイオード21のアノードに接続されたドレイン、及びリセットトランジスタ24のソースと共通接続されたソースを有している。出力トランジスタ26は、リセットトランジスタ24のソースと読み出しトランジスタ25のソースとの共通接続ノードN1に接続されたゲート、アドレストランジスタ23のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００２５】
また補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、及び電圧出力部33を有している。検知部31は、判定トランジスタ34を含んでいる。判定トランジスタ34は、垂直信号線2に接続されたゲート、接地電位に接続されたソース、及びドレインを有している。電圧置換部32は、補正リセットトランジスタ35及び補正検出トランジスタ36を有している。補正リセットトランジスタ35は、補正リセット信号ADJ-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正検出トランジスタ36は、補正命令信号ADJが入力されるゲート、補正リセットトランジスタ35のソースに接続されたドレイン、及び判定トランジスタ34のドレインに接続されたソースを有している。以下、補正検出トランジスタ36のソースと、判定トランジスタ34のドレインとの接続ノードをノードN2、補正リセットトランジスタ35のソースと補正検出トランジスタ36のドレインとの接続ノードをノードN3と呼ぶ。電圧出力部33は、補正アドレストランジスタ37及び補正出力トランジスタ38を有している。補正アドレストランジスタ37は、補正アドレス信号ADJ-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正出力トランジスタ38は、ノードN3に接続されたゲート、補正アドレストランジスタ37のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００２６】
クランプ回路40は、図２（ｂ）に示すようにコンデンサ41、出力バッファ42、及びクランプトランジスタ43を備えている。コンデンサ41は、垂直信号線2に接続された一方電極と、出力バッファの入力ノードに接続された他方電極とを有している。クランプトランジスタ43は、ゲート、所定の出力バイアス電位に接続されたドレイン、及び出力バッファの入力ノードに接続されたソースを有している。そして、出力バッファ42の出力ノードがクランプ回路40の出力ノードとなる。
【００２７】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図３及び図４を用いて説明する。図３は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートである。図４は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。
【００２８】
まず初めにステップS1において、単位画素が選択される（図４における時刻t1）。この選択動作は、アドレス信号ADによっていずれかの単位画素20のアドレストランジスタ23がオン状態とされ、且ついずれかの垂直信号線2に接続されるロードトランジスタ3がオン状態とされることによって行われる。
【００２９】
またステップS2において、垂直信号線2を一定の基準電位とするリセット動作が行われる（図４における時刻t1）。リセット動作は、リセット信号RSがアサートされることにより、選択された単位画素内のリセットトランジスタ24がオン状態とされることで行われる。図２に示すように、リセットトランジスタ24がオン状態になると、ノードN1の電位は略電源電位VDDとなる。そのため、出力トランジスタ26がオン状態となる。すると、アドレストランジスタ23がオン状態であるから、電源電位VDDからトランジスタ23、26を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は一定の基準電位とされる。なお、リセット動作時には、補正リセット信号ADJ-RSもアサートされ、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35もオン状態とされる。
【００３０】
次にステップS3において、垂直信号線2の電位の補正動作が行われる（図４における時刻t4）。すなわち、補正命令信号ADJがアサートされることにより補正検出トランジスタ36がオン状態とされる。
【００３１】
次にステップS4において、補正アドレス信号ADJ-ADがアサートされることにより補正アドレストランジスタ37がオン状態とされる（図４における時刻t5）。
【００３２】
ここで、入射光が一定の範囲内の強度であれば、垂直信号線2は、リセット動作で与えられた基準電位に固定された状態にある。従って、判定トランジスタ34はオン状態である（ステップS5）。判定トランジスタ34がオン状態であると、ノードN2は略接地電位であるから、補正検出トランジスタ36を介してノードN3も略接地電位となり、補正出力トランジスタ38はオフ状態となる。その結果、補正回路30からは基準電位は発生されない。すなわち、垂直信号線2には、単位画素20より基準電位が供給される（ステップS6）。
【００３３】
他方、固体撮像装置に非常に強度の大きい光が入射した際には、垂直信号線2の電位が低下していく。固体撮像装置10に非常に強い光が入射した際には、その光がフォトダイオード21以外の部分にも入射する場合がある。例えば単位画素20内のトランジスタ23、24のソース領域等に入射する。すると、この領域で光電変換が生じて電荷が発生する。それらの電荷はノードN1の電位を低下させる。すなわち、出力トランジスタ26の供給電圧が徐々に低下し、図４における時刻t2〜t3に示すように、垂直信号線2の電位が低下する。そして、ノードN1の電位が出力トランジスタ26の閾値よりも低下すると、出力トランジスタ26はオフ状態となる（図４における時刻t3）。また垂直信号線2の電位が低下することにより、補正回路30内の判定トランジスタ34がオフ状態となる（ステップS5、図４における時刻t3）。すると、補正検出トランジスタ36がオン状態となっても判定トランジスタ34はオフ状態であるから、ノードN3の電位は略電源電位VDDである。従って、補正出力トランジスタ38はオン状態にある。その結果、補正回路30内において、電源電位VDDからトランジスタ37、38を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は改めて一定の基準電位とされる（ステップS7、図４における時刻t5参照）。
【００３４】
以上のようにして垂直信号線2の電位が基準電位に設定された後、ステップS8において、単位画素20からの画像信号が垂直信号線2に読み出される。すなわち、読み出し信号RDがアサートされることにより、選択された単位画素20内の読み出しトランジスタ25がオン状態とされる。すると、フォトダイオード21に蓄積された信号電荷がノードN1に読み出される。そして、出力トランジスタ26が、ノードN1に読み出された信号電荷の量に応じた電圧、すなわち画像信号を垂直信号線2に供給する。読み出された画像信号は、クランプ回路40、サンプルホールド回路50及び読み出しトランジスタ4を介して出力ノードOUTに読み出される。
【００３５】
クランプ回路40は、時刻t1〜t6までの期間にクランプトランジスタがオン状態とされているため、単位画素20から画像信号が読み出されるまでは、一定レベルに固定されている。そして、読み出し信号RDがアサートされると、画像信号が読み出されることによる垂直信号線2の電位変動分が、クランプ回路に取り込まれる。そしてクランプ回路40では、画像信号は、クランプトランジスタ43のソース電位に対する変化分ΔVclampとして、取り出される。なお図４のタイムチャートでは、固体撮像装置10に非常に強い光が入射することにより出力トランジスタ26がオフ状態となる例を挙げて示しているので、補正アドレストランジスタ37がオフ状態となった瞬間に、垂直信号線2の電位は下降し、読み出しトランジスタ25がオン状態となった後でも垂直信号線2の電位は不変である。
【００３６】
上記のような固体撮像装置によれば、基準電位を発生する補正回路30を設けている。そして、リセット動作時において垂直信号線2の電位が低下した場合、単位画素20に代わって補正回路30が垂直信号線2に基準電位を供給している。従って、単位画素20から画像信号が読み出されることによる垂直信号線2の電位変動を十分に確保することが出来る。その結果、固体撮像装置に非常に強い光が入射した場合であっても、画像信号強度の低下を抑制でき、正確な像を取り込むことが出来る。
【００３７】
また補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、及び電圧出力部33を備えている。検知部30は垂直信号線2の電位低下を検知しており、その検知結果を受けて、電圧出力部33が動作状態となる。そして、電圧出力部33が動作状態となることで、垂直信号線2に基準電位を供給している。他方、垂直信号線2の電位が低下していないことを検知部30が検知すれば、電圧出力部33は非動作状態とされ、単位画素20が基準電圧を垂直信号線2に与えている。また上記検知部30は、ソースが接地電位に接続されたMOSトランジスタ34であり、そのドレインは補正検出トランジスタ36を介在して電圧出力部33に接続されている。従って、補正動作開始時に補正検出トランジスタ36をオン状態とすることで、垂直信号線2の電位に応じて自動的に電圧出力部33の動作／非動作が決定される。よって、垂直信号線2に基準電位を与える際に、単位画素20側から与えるか、または補正回路30側から与えるかを選択するセレクタが、従来（特開2000-287131号公報参照）と異なって不要となる。またその結果、セレクタを制御するパルス生成器が不要となり、固体撮像装置の構成を簡略化することが出来る。
【００３８】
次にこの発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図５を用いて説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態に係る構成に、バイアス回路及びバイアス用ロードトランジスタを追加したものである。図５は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。なお単位画素20の構成、並びに補正回路30内の電圧置換部32及び電圧出力部33の構成は、上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００３９】
バイアス回路70は、単位画素20内の電圧出力部22と実質的に同一の構成を有している。すなわち、アドレストランジスタ73、リセットトランジスタ74、読み出しトランジスタ75、及び出力トランジスタ76を有している。アドレストランジスタ73は、バイアス用アドレス信号BIAS-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。リセットトランジスタ74は、バイアス用リセット信号BIAS-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。読み出しトランジスタ25は、接地電位に接続されたゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びリセットトランジスタ74のソースと共通接続されたソースを有している。出力トランジスタ76は、リセットトランジスタ74のソースと読み出しトランジスタ75のソースとの共通接続ノードN4に接続されたゲート、アドレストランジスタ73のソースに接続されたドレイン、及びバイアス電圧出力配線77の一端に接続されたソースを有している。なお、バイアス電圧出力配線77の他端は、バイアス用ロードトランジスタ78を介して接地電位に接続されている。バイアス用ロードトランジスタ78のゲートは、ロードトランジスタ3のゲートと共通接続されており、同一の信号が入力される。またバイアス用アドレス信号BIAS-AD及びバイアス用リセット信号BIAS-RSは、単位画素20に入力されるアドレス信号AD及びリセット信号RSと同一の信号であっても良い。
【００４０】
そして、上記バイアス電圧出力配線77が、補正回路30内の判定トランジスタ34のソースに接続されている。
【００４１】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図６及び図７を用いて説明する。図６は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートであり、図７は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００４２】
まずステップS9において、単位画素20及びバイアス回路70を選択する（図７における時刻t1）。すなわち、アドレス信号ADをアサートしてアドレストランジスタ23をオン状態とし、且つロードトランジスタ4をオン状態として単位画素20を選択する。また、バイアス用アドレス信号BIAS-ADをアサートしてアドレストランジスタ73をオン状態とし、且つバイアス用ロードトランジスタ78をオン状態としてバイアス回路70を選択する。前述のように、単位画素20及びバイアス回路70を選択するアドレス信号AD、BIAS-ADは共通の信号であっても良い。
【００４３】
またステップS10において、第１の実施形態と同様に、垂直信号線2のリセット動作を行う（図７における時刻t1）。同時に、バイアス電圧出力配線77をリセットする。バイアス電圧出力配線77のリセット動作は、バイアス用リセット信号BIAS-RSをアサートすることにより、選択されたバイアス回路70内のリセットトランジスタ74をオン状態とすることで行われる。図５に示すように、リセットトランジスタ74がオン状態になると、ノードN4の電位は略電源電位VDDとなる。そのため、出力トランジスタ76がオン状態となる。すると、電源電位VDDからトランジスタ73、76を介してバイアス電圧出力配線77に達するパスによって、バイアス電圧出力配線77は一定の基準電位とされる。前述のように、リセット信号RS、BIAS-RSは共通の信号であって良い。またリセット動作時には補正リセット信号ADJ-RSもアサートされ、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35もオン状態とされる。単位画素20内の電圧出力回路22及びバイアス回路70に与えられるアドレス信号及びリセット信号を共通とし、且つ同一サイズのトランジスタを用いることにより、垂直信号線2及びバイアス電圧出力配線77に現れる基準電圧は、共に等しい電圧となる。
【００４４】
その後、図７における時刻t2〜t3に示すように、垂直信号線2の電位が低下したとする（ステップS11）。そしてノードN1の電位が出力トランジスタ26の閾値よりも低下すると、出力トランジスタ26はオフ状態となる（図７における時刻t3）。また同時に、垂直信号線2の電位が低下することにより、補正回路30内の判定トランジスタ34がオフ状態となる。
【００４５】
次にステップS3において、垂直信号線2の電位の補正動作が行われる。補正動作を含めたその後の動作は上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４６】
上記のような固体撮像装置によれば、上記第１の実施形態と同様に、固体撮像装置の構成を簡略化することが出来る。更に、本実施形態に係る固体撮像装置であると、第１の実施形態に比して、更に強い光が入射した場合であっても対応能となる。この点について第１の実施形態と比較しながら以下説明する。
【００４７】
第１の実施形態に係る図２の固体撮像装置であると、判定トランジスタ34のソースは接地電位に接続されている。すると、垂直信号線2の電位が高い状態では判定トランジスタ34はオン状態であるから、その時点でのノードN2の電位は接地電位にある。従って、その後垂直信号線2の電位低下により判定トランジスタ34がオフ状態となり、補正命令信号ADJをアサートして補正検出トランジスタ35をオン状態とすると、ノードN3の電位が僅かに低下する（図４の領域A1参照）。その結果、補正回路30の電圧出力部33の出力する電圧も僅かに基準電圧から低い電圧（ΔV1）となる。
【００４８】
しかし本実施形態に係る図５の固体撮像装置であると、判定トランジスタ34のソースはバイアス電圧出力配線77に接続されている。そして、バイアス電圧出力配線77の電位は単位画素20の供給する基準電圧である。すると、判定トランジスタ34がオン状態である時点でのノードN2の電位は略基準電圧である。従って、判定トランジスタ34がオフ状態となった後に補正検出トランジスタ35のオン状態とした時のノードN3の電圧低下を、第１の実施形態と比べて小さいものとすることが出来る（図７の領域A2参照）。その結果、補正回路30の電圧出力部33の出力する電圧も、更に基準電圧に近い値となる（ΔV2＜ΔV1）。よって、読み出し時においては画像信号との差分を十分に確保することが出来、画像信号低下をより抑制できる。
【００４９】
なお、補正命令信号ADJがアサートされる補正動作時においては、補正検出トランジスタ34がオン状態にある際には出力トランジスタ38がオフ状態であることが必要である。従って、バイアス回路70がバイアス電圧出力配線77に出力する電圧に対してオフ状態となるように、出力トランジスタ38を設計する必要がある。
【００５０】
図８は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。本変形例は、ロードトランジスタ3とバイアス用ロードトランジスタ78とを独立に制御するものである。すなわち、バイアス用ロードトランジスタ78のゲート電圧を制御することにより、バイアス電圧出力配線77に与える電圧を制御することが可能となる。これにより、補正回路30内のノードN3の電圧を自在に制御することが出来、垂直信号線2の電位低下より効果的に補正することが出来る。なお、判定トランジスタ34のソース電位を接地電位よりも高くすることで、垂直信号線2の電位低下を効果的に補正出来るのであるから、その手法としては、他にバイアス回路70の電源電位やバイアス回路70を構成するトランジスタサイズを調整することによっても良い。
【００５１】
次にこの発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について、図９を用いて説明する。図９は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。
【００５２】
図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第２の実施形態の補正回路30において、判定トランジスタ34のドレインを補正リセットトランジスタ35のソースに接続し、補正検出トランジスタ36のドレインを判定トランジスタ34のソースに接続し、ソースをバイアス電圧出力配線77に接続したものである。そして、判定トランジスタ34のドレインと補正リセットトランジスタ35のソースとの接続ノードN3を、補正出力トランジスタ38のゲートに接続したものである。
【００５３】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置の動作は上記第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５４】
上記構成の固体撮像装置によれば、上記第１の実施形態と同様に、従来に比して固体撮像装置の構成を簡略化出来る。また、本実施形態に係る固体撮像装置であると、補正検出トランジスタ36がバイアス電圧出力配線77側に設けられているため、上記第２の実施形態よりも更に光感度の向上を図ることが出来る。この点について、図９及び図１０を用いて説明する。図１０は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。
【００５５】
第１、第２の実施形態と同様に、単位画素20によって垂直信号線2が基準電位とされることによりリセット動作が行われる（図１０における時刻t1〜t2）時点では、垂直信号線2の電位は基準電位とされているので判定トランジスタ34はオン状態である。しかし、補正命令信号ADJはネゲートされているので補正検出トランジスタ36はオフ状態である。従って、ノードN3の電位はバイアス電圧出力配線77に依存せず、補正リセットトランジスタ35を介して与えられる略電源電位VDDである。その後、補正命令信号ADJがアサートされることにより補正動作が開始されるが、その時点では垂直信号線2の電位低下により判定トランジスタ34はオフ状態である。従って、やはりノードN3の電位はバイアス電圧出力配線77に依存せず、略電源電位VDDである（図１０における領域A3）。その結果、補正アドレス信号ADJ-RSがアサートされた際に、電圧出力部33の供給する電位は、基準電位そのものとなる。
【００５６】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、補正動作時におけるノードN3の電圧低下を抑制することが出来るため、補正回路30は垂直信号線2を正確に基準電位にまで設定することが出来る。そのため、読み出し時においては画像信号との差分を十分に確保することが出来、強い光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制できる。
【００５７】
また、バイアス電圧出力配線77に接続される補正検出トランジスタ36とノードN3との間に判定トランジスタ34が設けられているため、ノードN3がバイアス電圧出力配線77によって受ける影響を少なくすることが出来、ノードN3の電位をより安定化することが出来る。
【００５８】
図１１は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。本変形例は上記第２の実施形態の変形例と同様に、ロードトランジスタ3とバイアス用ロードトランジスタ78とを独立に制御するものである。すなわち、バイアス用ロードトランジスタ78のゲート電圧を制御することにより、バイアス電圧出力配線77に与える電圧を制御することが可能となる。これにより、補正回路30内のノードN2の電圧を自在に制御することが出来、垂直信号線2の電位低下より効果的に補正することが出来る。
【００５９】
次にこの発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について、図１２を用いて説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第１の実施形態において、更に増幅回路を加えると共に、補正回路の構成を変更したものである。図１２は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及び増幅回路の回路図である。単位画素の構成は上記第１、第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６０】
補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、電圧出力部33、及びスイッチングトランジスタ39を有している。検知部31は、判定トランジスタ34を含んでいる。判定トランジスタ34のゲートは、スイッチングトランジスタ39のドレインに接続されており、この接続ノードをノードN4とする。またスイッチングトランジスタ39は、前記ドレインと、接地電位に接続されたソースと、スイッチング信号SW4が入力されるゲートとを有している。電圧置換部32は、補正リセットトランジスタ35及び補正検出トランジスタ36を有している。補正リセットトランジスタ35は、補正リセット信号ADJ-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正検出トランジスタ36は、補正命令信号ADJが入力されるゲート、判定トランジスタ34のソースに接続されたドレイン、及び接地電位に接続されたソースを有している。以下、判定トランジスタ34のソースと補正検出トランジスタ36のドレインとの接続ノード、判定トランジスタ34のドレインと補正リセットトランジスタ35のソースとの接続ノードを、それぞれノードN2、N3とする。電圧出力部33は、補正アドレストランジスタ37及び補正出力トランジスタ38を有している。補正アドレストランジスタ37は、補正アドレス信号ADJ-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正出力トランジスタ38は、ノードN3に接続されたゲート、補正アドレストランジスタ37のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００６１】
増幅回路80は、スイッチングトランジスタ81、85〜88、インバータアンプ83、84、及びコンデンサ82を備えている。スイッチングトランジスタ81は、スイッチング信号SW1が入力されるゲート、垂直信号線2に接続されたドレイン、及びソースを有している。インバータアンプ83は、コンデンサ82を介してスイッチングトランジスタ81のソースに接続された入力ノード、及び出力ノードを有している。インバータアンプ84は、インバータアンプ83の出力ノードに接続された入力ノード、及び出力ノードを有している。スイッチングトランジスタ85、86は、それぞれpチャネル、nチャネルMOSトランジスタであり、CMOSスイッチを構成している。すなわち、スイッチングトランジスタ85のソースとスイッチングトランジスタ86のドレインが共通接続されてインバータアンプ84の出力ノードに接続されている。またスイッチングトランジスタ85のドレインとスイッチングトランジスタ86のソースが共通接続されて、補正回路30内のノードN4に接続されている。スイッチングトランジスタ85、86のゲートには、それぞれスイッチング信号SW5、SW4が入力されている。スイッチングトランジスタ87は、スイッチング信号SW2が入力されるゲート、スイッチングトランジスタ81のソースに接続されたドレイン、及び接地電位に接続されたソースを有している。スイッチングトランジスタ88は、スイッチング信号SW1が入力されるゲート、インバータアンプ83の入力ノードに接続されたソースまたはドレインの一方、及びインバータアンプ83の出力ノードに接続されたソースまたはドレインの他方を有している。
【００６２】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図１３、図１４を用いて説明する。図１３は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートであり、図１４は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００６３】
まずステップS12において、第１の実施形態と同様に、複数の単位画素のいずれかが選択される（図１４における時刻t1）。また、スイッチング信号SW1をアサートすることにより、スイッチングトランジスタ81をオン状態として、増幅回路80をオープンとする。なお、スイッチングトランジスタ81をオフ状態として、増幅回路80をクローズにしている期間は、インバータアンプ83、84の誤動作を防止するために、スイッチングトランジスタ87をオン状態として、スイッチングトランジスタ81とコンデンサ82との接続ノードの電位を接地電位としておく。
【００６４】
またステップS2において、垂直信号線2を一定の基準電位とするリセット動作が行われる（図１４における時刻t1）。すなわち、リセット信号RSがアサートされることにより、単位画素20内のリセットトランジスタ24がオン状態とされる。これにより、出力トランジスタ26がオン状態となり、垂直信号線2は基準電位とされる。同時に補正リセット信号ADJ-RSがアサートされることにより、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35がオン状態とされる。
【００６５】
次にステップS13において、増幅回路80内のインバータアンプ83がリセットされる（図１４における時刻t1’）。すなわち、スイッチング信号SW3がアサートされることにより、スイッチングトランジスタ88がオン状態となり、インバータアンプ83の入力ノードと出力ノードとが同電位とされる。この様子を示すのが図１５である。図１５はインバータアンプの入出力特性を示すグラフである。インバータアンプの入出力ノードが等しくされると、インバータアンプ83の動作点は“L”レベルと“H”レベルの中間点に設定される。コンデンサ82のスイッチングトランジスタ81側の電極を第１電極、インバータアンプ83側の電極を第２電極とすれば、第１電極は単位画素20より与えられる基準電位であり、第２電極はインバータアンプ83の中間電位である。信号線2の電位が基準電位より僅かでも変化すれば、そのカップリングによって、第２電極の電位が変化する。従って、インバータアンプ83は、基準電位を閾値として、信号線の電位が低下すれば“H”レベルを出力し、上昇すれば“L”レベルを出力するような状態とされる。また、スイッチング信号SW4がアサートされることにより、補正回路30内のスイッチングトランジスタ39がオン状態とされ、ノードN4は接地電位とされる。従って判定トランジスタ34はオフ状態である。
【００６６】
その後、光の入射により単位画素20内のノードN1の電位が低下し、垂直信号線2の電位が低下したとする（ステップS11、図１４における時刻t2〜t3）。
【００６７】
すると、前述のようにインバータアンプ83はリセット状態にあるから、垂直信号線2の電位が僅かでも低下すると、その低下分を増幅反転させて、“H”レベル信号を出力ノードから出力する。この“H”レベル信号はインバータアンプ84で更に増幅反転されて、“L”レベル信号が出力される。
【００６８】
次に、ステップS14において、スイッチングトランジスタ85、86をオン状態として、CMOSスイッチをオープンにする（図１４における時刻t4）。この際、pチャネルMOSトランジスタであるスイッチングトランジスタ86をオン状態にするスイッチング信号SW4が、スイッチングトランジスタ39のゲートにも入力されているため、スイッチングトランジスタ39はオフ状態となる。また、インバータアンプ83の“L”レベル出力は、CMOSスイッチを介してノードN4に与えられる。従って、ノードN4の電位は相変わらず略接地電位であり、判定トランジスタ34もオフ状態を継続する。
【００６９】
次にステップS3において、単位画素20からの画像信号の読み出しに先立って、補正動作を開始する。すなわち、補正命令信号ADJをアサートすることにより、補正検出トランジスタ36がオン状態とされる（図１４における時刻t5）。
【００７０】
次にステップS4において、補正アドレス信号ADJ-ADがアサートされることにより補正アドレストランジスタ37がオン状態とされる（図１４における時刻t6）。すると、補正回路30内において、電源電位VDDからトランジスタ37、38を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は改めて一定の基準電位とされる（図４における時刻t7参照）。
【００７１】
その後は第１の実施形態と同様に、ステップS3において単位画素20から画像信号が垂直信号線2に読み出される。
【００７２】
上記本実施形態に係る固体撮像装置であると、新たに増幅回路80を設けている。そして、垂直信号線2の電位を増幅回路80で増幅させて、判定トランジスタ34のゲートに入力している。従って、垂直信号線2の電位低下が僅かであっても、垂直信号線2には補正回路30から基準電位が与えられる。この効果について、上記第１乃至第３の実施形態と比較しつつ説明する。第１乃至第３の実施形態では、垂直信号線2の電位を直接判定トランジスタ34のゲートに入力して、垂直信号線2の電位低下を監視している。すると、場合によっては、垂直信号線2の電位が大幅に低下するまで判定トランジスタ34がオフ状態にならず、補正動作を開始できないことが考え得る。その結果、単位画素20内の出力トランジスタ26がオン状態とオフ状態との中間の状態を取り、垂直信号線2の電位が不安定になる恐れがある。しかし本実施形態であると、垂直信号線2の電位を増幅回路80で増幅するため、垂直信号線2の電位低下が僅かばかりのものであっても、瞬時に補正回路30によって基準電位が垂直信号線2に与えられる。従って、リセット動作時には、単位画素20内の出力トランジスタ26、または補正回路30内の補正出力トランジスタ38のいずれかが完全にオン状態である。その結果、垂直信号線2の電位を常時安定にすることが出来る。
【００７３】
また、補正命令信号ADJがアサートされる直前まで、スイッチングトランジスタ39がオン状態とされている。従ってノードN4は略接地電位であり、判定トランジスタ34はオフ状態にある。よって、ノードN3が一瞬でも接地電位になることは無く、その結果、補正回路30は基準電圧を正確に出力することが出来る。
【００７４】
更に、垂直信号線2の電位が基準電位よりも高くなった場合には、ノードN4は“H”レベルとなり、判定トランジスタ34がオン状態とされる。この際には、補正命令信号ADJをアサートすることにより、ノードN3を接地電位として、補正出力トランジスタ38をオフ状態とすれば良い。
【００７５】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、画像信号強度の低下を抑制できるだけでなく、その動作信頼性の向上を図ることが出来る。
【００７６】
図１６は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及び増幅回路の回路図である。本変形例は、スイッチングトランジスタ85、86で構成されるCMOSスイッチを、コンデンサ89に置き換えたものである。動作については図１２に示す構造と、スイッチング信号SW5を廃する他は全く同様であるので説明は省略する。本変形例によっても、上記第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
次にこの発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について、図１７を用いて説明する。図１７は、固体撮像装置の一部領域の回路図である。
【００７８】
図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第４の実施形態に係る固体撮像装置に、第２の実施形態で説明したバイアス回路70を追加したものである。そして、バイアス回路70のバイアス電圧出力配線77を、増幅回路80のスイッチングトランジスタ87のソースに接続したものである。
【００７９】
次に本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。本固体撮像装置の動作は、基本的には上記第４の実施形態とほぼ同様であるので、ここでは第４の実施形態と異なるところを説明する。
【００８０】
まず時刻t1において、単位画素20の選択、及び垂直信号線2のリセットを行う際に、スイッチング信号SW1をネゲートしてスイッチングトランジスタ81をオフ状態とすることで、増幅回路80を垂直信号線2に対してクローズにする。そして、スイッチング信号SW2をアサートしてスイッチングトランジスタ87をオン状態とすることで、インバータアンプ83の入力ノードの電位を、バイアス電圧出力配線77の電位に設定する。また、スイッチングトランジスタ81がオフ状態、スイッチングトランジスタ87がオン状態である期間に、インバータアンプ83をリセットする。
【００８１】
その後、スイッチングトランジスタ81をオン状態、スイッチングトランジスタ87をオフ状態とした後は、上記第４の実施形態の通りである。
【００８２】
本実施形態に係る固体撮像装置によれば、上記第４の実施形態で説明した効果に加えて、補正回路30が基準電圧を垂直信号線2に与える閾値を自在に設定することが可能となる。すなわち、インバータアンプ83のリセット時に、バイアス回路70が発生する電圧を、コンデンサ82の第１電極に与えている。この時、コンデンサ82の第２電極はインバータアンプ83の中間電位である。リセット動作の終了後、スイッチングトランジスタ87はオフ状態とされ、スイッチングトランジスタ81がオン状態とされることで、増幅回路80はオープンとされる。すると、信号線の電位がバイアス回路77の発生する電位と一致している際には、インバータアンプ88は相変わらず“H”レベルでも“L”レベルでもない中間点にある。他方、信号線の電位がバイアス回路77の発生する電位と異なれば、カップリングにより、コンデンサ82の第２電極の電位が変化する。この変化量が僅かであったとしても、インバータアンプ83はリセット状態にあるから、“H”レベル、または“L”レベルを出力する。すなわち、単位画素20または補正手段30いずれによって信号線2に基準電位を与えるか、という判断を、バイアス回路77の発生する電位を基準とした信号線の電位変化により行うことが出来る。その結果、垂直信号線2の電位低下を、より効果的に補正することが出来る。勿論、増幅回路80内のCMOSスイッチは、コンデンサに置き換えても良い。
【００８３】
次にこの発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置について図１９を用いて説明する。図１９は、各種信号のタイムチャートである。本実施形態は、上記第１乃至第５の実施形態に係る構造の固体撮像装置において、リセット時の動作に着目したものである。本実施形態では、第３の実施形態で説明した固体撮像装置を例に挙げて、第３の実施形態におけるリセット動作と異なる点について説明する。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００８４】
固体撮像装置は、図１に示すように、その水平方向を水平方向選択回路60-2によって選択される。水平方向選択回路60-2は、水平方向選択信号SLCT-ROWによって、読み出し用トランジスタ4を選択して、単位画素からの読み出し信号を出力ノードOUTに読み出す。水平方向選択信号SLCT-ROWは、垂直信号線2のリセット時にはネゲートされており（水平ブランキング期間）、単位画素から画像信号を読み出した後にアサートされる（水平有効期間）。
【００８５】
本実施形態に係る固体撮像装置では、図１９に示すように、補正動作を開始する時刻t1以前の水平ブランキング期間（時刻t0〜t0’）に、リセット信号RSをアサートしてリセットトランジスタ24をオン状態としておく。そして、次の水平ブランキング期間において、アドレス信号ADをアサートして、垂直信号線2に基準電圧を供給する。
【００８６】
本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であると、垂直信号線2の電位の補正を、より確実に行うことが出来る。なぜなら、リセット信号がアサートしてから水平有効期間を１サイクル経た後に出力トランジスタ26をオン状態としているからである。すなわち、水平有効期間１サイクルという長い期間で、ノードN1に電荷を蓄積しているため、固体撮像装置に強い光が入射している際には、ノードN1の電位を十分に低下させることが出来る。従って、判定トランジスタ34を確実にオフ状態とすることが出来る。すると、補正検出トランジスタ34をオン状態としたときに、バイアス電圧出力配線77の電圧がノードN3に達することを確実に防止でき、補正動作の信頼性をより向上できる。
【００８７】
勿論、リセット信号をアサートするのは、出力トランジスタ26をオン状態とする１サイクル前に限らず、数サイクル前であっても良い。また水平選択信号SLCT-ROWに同期している必要も必ずしも無い。
【００８８】
上記のように、この発明の実施形態に係る固体撮像装置であると、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置及びその駆動方法を提供出来る。
【００８９】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、構成を簡略化しつつ、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図であり、（ａ）図は単位画素、（ｂ）図は補正回路を示す。
【図３】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図４】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図５】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図６】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図７】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図８】この発明の第２の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１０】この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１１】この発明の第３の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１２】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１３】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図１４】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１５】インバータアンプの入出力特性を示す特性図。
【図１６】この発明の第４の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１７】この発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１８】この発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１９】この発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【符号の説明】
2…垂直信号線
3、78…ロードトランジスタ
4、25、75…読み出し用トランジスタ
10…固体撮像装置
20…単位画素
21…フォトダイオード
22、33…電圧出力部
23、37、73…アドレストランジスタ
24、35、74…リセットトランジスタ
26、38、76…出力トランジスタ
30…補正回路
31…検知部
32…電圧置換部
34…判定トランジスタ
36…検出トランジスタ
39、81、85〜88…スイッチングトランジスタ
40…クランプ回路
41、82、89…コンデンサ
42、83、84…インバータ
43…クランプトランジスタ
50…サンプルホールド回路
60-1…垂直方向選択回路
60-2…水平方向選択回路
70…バイアス回路
77…バイアス電圧出力配線
80…増幅回路
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像装置に関する。特に、固体撮像装置において強い光が入射した際の画素部の信号低減を抑制する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像領域内に増幅器を有する固体撮像装置が知られている。しかし、このような固体撮像装置では、強い光が入射した際に画素からの信号量が低下する現象があった。この現象が発生すると、像は、あたかも光が入っていないかのように黒くなってしまう。
【０００３】
上記現象の原因は、画素からの信号読み出し時の前に行われるリセット動作時に、信号線の電位が低下することにある。リセット時には、各画素に接続された信号線が一定の基準電位に固定される。画素からの読み出し信号は、この基準電位との電位差として信号線に検出される。しかし、固体撮像装置に強い光が入射すると、画像を読み取るフォトダイオード以外の部分で光電変換が起きる。この光電変換によって余計な電子が発生することにより、信号線の電位が基準電位から低下していく。その結果、入射する光が強いほど画素からの読み出し信号が小さくなり、画像が黒くなってしまうのである。
【０００４】
この問題を解決するための手段の一つが、例えば特開2000-287131号に為されている。本公報記載の技術では、基準電圧を発生する電圧発生器を設けている。また、比較器によって、リセット時の信号線の電位が所定の範囲内にあるか否かを監視している。信号線の電位が所定の範囲を超えて低下している場合には、パルス合成器により信号置換パルスを発生する。そして、信号置換パルスが発生された場合には、電圧発生器の供給する基準電圧が、セレクタによって信号線に与えられる。その結果、リセット時の信号線の電位を基準電位に固定することが出来、強い光が入射した場合であっても、正常な像を取り込むことが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の技術であると、パルス合成器や電圧発生器等、新たに付加すべき固体撮像装置の構成要件が多くなるという問題があった。
【０００６】
この発明は、構成を簡略化しつつ、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記信号線の電位に応じて前記信号線に第２基準電位を与える補正手段と、第３基準電位を発生する第３基準電位発生手段とを具備し、前記補正手段は、第１ノードと、前記リセット動作時に制御電位が与えられた第２ノードとの間を、前記信号線の電位が所定の値より高い場合には接続し、低い場合には非接続とする検知部と、前記第１ノードと、前記第３基準電位発生手段により発生された前記第３基準電位が与えられる第３基準電位ノードとの間を、前記補正命令信号がアサートされている期間に接続し、ネゲートされている期間に非接続とする電圧置換部と、前記第２ノードの電位に応答して動作し、前記第２ノードの電位が前記制御電位の際には動作状態であり前記信号線に前記第２基準電位を与え、非制御電位の際には非動作状態である第２基準電位発生手段とを具備する。
【０００９】
また、この発明に係る第２の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、前記信号線の電位を増幅する増幅手段と、前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記増幅手段で増幅された信号線の電位が所定の値より大きく変化したか否かを検出する手段を含み、大きく変化したことを検出した場合に前記信号線に第２基準電位を与える補正手段とを具備する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１７】
この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図１を用いて説明する。図１は、MOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
図示するように、固体撮像装置10は単位画素20、補正回路30、クランプ回路40、サンプルホールド回路50、垂直方向選択回路60-1、及び水平方向選択回路60-2を備えている。
【００１９】
単位画素20は、図１においては3×3個しか示していないが、これは一例に過ぎず、その数は特に限定されるものではない。複数の単位画素20はマトリクス状に配置され、垂直信号線2に列毎に共通接続されている。また同一行の単位画素20は、垂直方向選択回路60-1により与えられるアドレス信号AD、リセット信号RS、及び読み出し信号RDによって制御される。
【００２０】
補正回路30は、垂直信号線2毎に設けられ、垂直方向選択回路60-1により与えられる補正アドレス信号ADJ-AD、補正リセット信号ADJ-RS、及び補正命令信号ADJによって制御される。
【００２１】
クランプ回路40は、各垂直信号線2の一端に接続されており、垂直信号線2に読み出された信号をクランプする。なお、垂直信号線2の他端はロードトランジスタ3を介して接地電位に接続されている。
【００２２】
サンプルホールド回路50は、上記クランプ回路40でクランプされた信号を標本化して保持する。そして、サンプルホールド回路50で保持された信号は、読み出し用トランジスタ4を介して出力ノードOUTに出力される。読み出し用トランジスタ4のゲートは、水平方向選択回路60-2によって制御される。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）は、固体撮像装置の一部領域の具体的構成を示す回路図であり、（ａ）図は単位画素及び補正回路、（ｂ）図はクランプ回路について示している。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、単位画素20は、フォトダイオード21及び電圧出力部22を備えている。フォトダイオード21は、入射光に応じて電荷を発生する。電圧出力部22は、アドレストランジスタ23、リセットトランジスタ24、読み出しトランジスタ25、及び出力トランジスタ26を有している。アドレストランジスタ23は、アドレス信号ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。リセットトランジスタ24は、リセット信号RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。読み出しトランジスタ25は、読み出し信号RDが入力されるゲート、フォトダイオード21のアノードに接続されたドレイン、及びリセットトランジスタ24のソースと共通接続されたソースを有している。出力トランジスタ26は、リセットトランジスタ24のソースと読み出しトランジスタ25のソースとの共通接続ノードN1に接続されたゲート、アドレストランジスタ23のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００２５】
また補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、及び電圧出力部33を有している。検知部31は、判定トランジスタ34を含んでいる。判定トランジスタ34は、垂直信号線2に接続されたゲート、接地電位に接続されたソース、及びドレインを有している。電圧置換部32は、補正リセットトランジスタ35及び補正検出トランジスタ36を有している。補正リセットトランジスタ35は、補正リセット信号ADJ-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正検出トランジスタ36は、補正命令信号ADJが入力されるゲート、補正リセットトランジスタ35のソースに接続されたドレイン、及び判定トランジスタ34のドレインに接続されたソースを有している。以下、補正検出トランジスタ36のソースと、判定トランジスタ34のドレインとの接続ノードをノードN2、補正リセットトランジスタ35のソースと補正検出トランジスタ36のドレインとの接続ノードをノードN3と呼ぶ。電圧出力部33は、補正アドレストランジスタ37及び補正出力トランジスタ38を有している。補正アドレストランジスタ37は、補正アドレス信号ADJ-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正出力トランジスタ38は、ノードN3に接続されたゲート、補正アドレストランジスタ37のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００２６】
クランプ回路40は、図２（ｂ）に示すようにコンデンサ41、出力バッファ42、及びクランプトランジスタ43を備えている。コンデンサ41は、垂直信号線2に接続された一方電極と、出力バッファの入力ノードに接続された他方電極とを有している。クランプトランジスタ43は、ゲート、所定の出力バイアス電位に接続されたドレイン、及び出力バッファの入力ノードに接続されたソースを有している。そして、出力バッファ42の出力ノードがクランプ回路40の出力ノードとなる。
【００２７】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図３及び図４を用いて説明する。図３は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートである。図４は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。
【００２８】
まず初めにステップS1において、単位画素が選択される（図４における時刻t1）。この選択動作は、アドレス信号ADによっていずれかの単位画素20のアドレストランジスタ23がオン状態とされ、且ついずれかの垂直信号線2に接続されるロードトランジスタ3がオン状態とされることによって行われる。
【００２９】
またステップS2において、垂直信号線2を一定の基準電位とするリセット動作が行われる（図４における時刻t1）。リセット動作は、リセット信号RSがアサートされることにより、選択された単位画素内のリセットトランジスタ24がオン状態とされることで行われる。図２に示すように、リセットトランジスタ24がオン状態になると、ノードN1の電位は略電源電位VDDとなる。そのため、出力トランジスタ26がオン状態となる。すると、アドレストランジスタ23がオン状態であるから、電源電位VDDからトランジスタ23、26を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は一定の基準電位とされる。なお、リセット動作時には、補正リセット信号ADJ-RSもアサートされ、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35もオン状態とされる。
【００３０】
次にステップS3において、垂直信号線2の電位の補正動作が行われる（図４における時刻t4）。すなわち、補正命令信号ADJがアサートされることにより補正検出トランジスタ36がオン状態とされる。
【００３１】
次にステップS4において、補正アドレス信号ADJ-ADがアサートされることにより補正アドレストランジスタ37がオン状態とされる（図４における時刻t5）。
【００３２】
ここで、入射光が一定の範囲内の強度であれば、垂直信号線2は、リセット動作で与えられた基準電位に固定された状態にある。従って、判定トランジスタ34はオン状態である（ステップS5）。判定トランジスタ34がオン状態であると、ノードN2は略接地電位であるから、補正検出トランジスタ36を介してノードN3も略接地電位となり、補正出力トランジスタ38はオフ状態となる。その結果、補正回路30からは基準電位は発生されない。すなわち、垂直信号線2には、単位画素20より基準電位が供給される（ステップS6）。
【００３３】
他方、固体撮像装置に非常に強度の大きい光が入射した際には、垂直信号線2の電位が低下していく。固体撮像装置10に非常に強い光が入射した際には、その光がフォトダイオード21以外の部分にも入射する場合がある。例えば単位画素20内のトランジスタ23、24のソース領域等に入射する。すると、この領域で光電変換が生じて電荷が発生する。それらの電荷はノードN1の電位を低下させる。すなわち、出力トランジスタ26の供給電圧が徐々に低下し、図４における時刻t2〜t3に示すように、垂直信号線2の電位が低下する。そして、ノードN1の電位が出力トランジスタ26の閾値よりも低下すると、出力トランジスタ26はオフ状態となる（図４における時刻t3）。また垂直信号線2の電位が低下することにより、補正回路30内の判定トランジスタ34がオフ状態となる（ステップS5、図４における時刻t3）。すると、補正検出トランジスタ36がオン状態となっても判定トランジスタ34はオフ状態であるから、ノードN3の電位は略電源電位VDDである。従って、補正出力トランジスタ38はオン状態にある。その結果、補正回路30内において、電源電位VDDからトランジスタ37、38を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は改めて一定の基準電位とされる（ステップS7、図４における時刻t5参照）。
【００３４】
以上のようにして垂直信号線2の電位が基準電位に設定された後、ステップS8において、単位画素20からの画像信号が垂直信号線2に読み出される。すなわち、読み出し信号RDがアサートされることにより、選択された単位画素20内の読み出しトランジスタ25がオン状態とされる。すると、フォトダイオード21に蓄積された信号電荷がノードN1に読み出される。そして、出力トランジスタ26が、ノードN1に読み出された信号電荷の量に応じた電圧、すなわち画像信号を垂直信号線2に供給する。読み出された画像信号は、クランプ回路40、サンプルホールド回路50及び読み出しトランジスタ4を介して出力ノードOUTに読み出される。
【００３５】
クランプ回路40は、時刻t1〜t6までの期間にクランプトランジスタがオン状態とされているため、単位画素20から画像信号が読み出されるまでは、一定レベルに固定されている。そして、読み出し信号RDがアサートされると、画像信号が読み出されることによる垂直信号線2の電位変動分が、クランプ回路に取り込まれる。そしてクランプ回路40では、画像信号は、クランプトランジスタ43のソース電位に対する変化分ΔVclampとして、取り出される。なお図４のタイムチャートでは、固体撮像装置10に非常に強い光が入射することにより出力トランジスタ26がオフ状態となる例を挙げて示しているので、補正アドレストランジスタ37がオフ状態となった瞬間に、垂直信号線2の電位は下降し、読み出しトランジスタ25がオン状態となった後でも垂直信号線2の電位は不変である。
【００３６】
上記のような固体撮像装置によれば、基準電位を発生する補正回路30を設けている。そして、リセット動作時において垂直信号線2の電位が低下した場合、単位画素20に代わって補正回路30が垂直信号線2に基準電位を供給している。従って、単位画素20から画像信号が読み出されることによる垂直信号線2の電位変動を十分に確保することが出来る。その結果、固体撮像装置に非常に強い光が入射した場合であっても、画像信号強度の低下を抑制でき、正確な像を取り込むことが出来る。
【００３７】
また補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、及び電圧出力部33を備えている。検知部30は垂直信号線2の電位低下を検知しており、その検知結果を受けて、電圧出力部33が動作状態となる。そして、電圧出力部33が動作状態となることで、垂直信号線2に基準電位を供給している。他方、垂直信号線2の電位が低下していないことを検知部30が検知すれば、電圧出力部33は非動作状態とされ、単位画素20が基準電圧を垂直信号線2に与えている。また上記検知部30は、ソースが接地電位に接続されたMOSトランジスタ34であり、そのドレインは補正検出トランジスタ36を介在して電圧出力部33に接続されている。従って、補正動作開始時に補正検出トランジスタ36をオン状態とすることで、垂直信号線2の電位に応じて自動的に電圧出力部33の動作／非動作が決定される。よって、垂直信号線2に基準電位を与える際に、単位画素20側から与えるか、または補正回路30側から与えるかを選択するセレクタが、従来（特開2000-287131号公報参照）と異なって不要となる。またその結果、セレクタを制御するパルス生成器が不要となり、固体撮像装置の構成を簡略化することが出来る。
【００３８】
次にこの発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図５を用いて説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態に係る構成に、バイアス回路及びバイアス用ロードトランジスタを追加したものである。図５は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。なお単位画素20の構成、並びに補正回路30内の電圧置換部32及び電圧出力部33の構成は、上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００３９】
バイアス回路70は、単位画素20内の電圧出力部22と実質的に同一の構成を有している。すなわち、アドレストランジスタ73、リセットトランジスタ74、読み出しトランジスタ75、及び出力トランジスタ76を有している。アドレストランジスタ73は、バイアス用アドレス信号BIAS-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。リセットトランジスタ74は、バイアス用リセット信号BIAS-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。読み出しトランジスタ25は、接地電位に接続されたゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びリセットトランジスタ74のソースと共通接続されたソースを有している。出力トランジスタ76は、リセットトランジスタ74のソースと読み出しトランジスタ75のソースとの共通接続ノードN4に接続されたゲート、アドレストランジスタ73のソースに接続されたドレイン、及びバイアス電圧出力配線77の一端に接続されたソースを有している。なお、バイアス電圧出力配線77の他端は、バイアス用ロードトランジスタ78を介して接地電位に接続されている。バイアス用ロードトランジスタ78のゲートは、ロードトランジスタ3のゲートと共通接続されており、同一の信号が入力される。またバイアス用アドレス信号BIAS-AD及びバイアス用リセット信号BIAS-RSは、単位画素20に入力されるアドレス信号AD及びリセット信号RSと同一の信号であっても良い。
【００４０】
そして、上記バイアス電圧出力配線77が、補正回路30内の判定トランジスタ34のソースに接続されている。
【００４１】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図６及び図７を用いて説明する。図６は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートであり、図７は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００４２】
まずステップS9において、単位画素20及びバイアス回路70を選択する（図７における時刻t1）。すなわち、アドレス信号ADをアサートしてアドレストランジスタ23をオン状態とし、且つロードトランジスタ4をオン状態として単位画素20を選択する。また、バイアス用アドレス信号BIAS-ADをアサートしてアドレストランジスタ73をオン状態とし、且つバイアス用ロードトランジスタ78をオン状態としてバイアス回路70を選択する。前述のように、単位画素20及びバイアス回路70を選択するアドレス信号AD、BIAS-ADは共通の信号であっても良い。
【００４３】
またステップS10において、第１の実施形態と同様に、垂直信号線2のリセット動作を行う（図７における時刻t1）。同時に、バイアス電圧出力配線77をリセットする。バイアス電圧出力配線77のリセット動作は、バイアス用リセット信号BIAS-RSをアサートすることにより、選択されたバイアス回路70内のリセットトランジスタ74をオン状態とすることで行われる。図５に示すように、リセットトランジスタ74がオン状態になると、ノードN4の電位は略電源電位VDDとなる。そのため、出力トランジスタ76がオン状態となる。すると、電源電位VDDからトランジスタ73、76を介してバイアス電圧出力配線77に達するパスによって、バイアス電圧出力配線77は一定の基準電位とされる。前述のように、リセット信号RS、BIAS-RSは共通の信号であって良い。またリセット動作時には補正リセット信号ADJ-RSもアサートされ、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35もオン状態とされる。単位画素20内の電圧出力回路22及びバイアス回路70に与えられるアドレス信号及びリセット信号を共通とし、且つ同一サイズのトランジスタを用いることにより、垂直信号線2及びバイアス電圧出力配線77に現れる基準電圧は、共に等しい電圧となる。
【００４４】
その後、図７における時刻t2〜t3に示すように、垂直信号線2の電位が低下したとする（ステップS11）。そしてノードN1の電位が出力トランジスタ26の閾値よりも低下すると、出力トランジスタ26はオフ状態となる（図７における時刻t3）。また同時に、垂直信号線2の電位が低下することにより、補正回路30内の判定トランジスタ34がオフ状態となる。
【００４５】
次にステップS3において、垂直信号線2の電位の補正動作が行われる。補正動作を含めたその後の動作は上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４６】
上記のような固体撮像装置によれば、上記第１の実施形態と同様に、固体撮像装置の構成を簡略化することが出来る。更に、本実施形態に係る固体撮像装置であると、第１の実施形態に比して、更に強い光が入射した場合であっても対応能となる。この点について第１の実施形態と比較しながら以下説明する。
【００４７】
第１の実施形態に係る図２の固体撮像装置であると、判定トランジスタ34のソースは接地電位に接続されている。すると、垂直信号線2の電位が高い状態では判定トランジスタ34はオン状態であるから、その時点でのノードN2の電位は接地電位にある。従って、その後垂直信号線2の電位低下により判定トランジスタ34がオフ状態となり、補正命令信号ADJをアサートして補正検出トランジスタ35をオン状態とすると、ノードN3の電位が僅かに低下する（図４の領域A1参照）。その結果、補正回路30の電圧出力部33の出力する電圧も僅かに基準電圧から低い電圧（ΔV1）となる。
【００４８】
しかし本実施形態に係る図５の固体撮像装置であると、判定トランジスタ34のソースはバイアス電圧出力配線77に接続されている。そして、バイアス電圧出力配線77の電位は単位画素20の供給する基準電圧である。すると、判定トランジスタ34がオン状態である時点でのノードN2の電位は略基準電圧である。従って、判定トランジスタ34がオフ状態となった後に補正検出トランジスタ35のオン状態とした時のノードN3の電圧低下を、第１の実施形態と比べて小さいものとすることが出来る（図７の領域A2参照）。その結果、補正回路30の電圧出力部33の出力する電圧も、更に基準電圧に近い値となる（ΔV2＜ΔV1）。よって、読み出し時においては画像信号との差分を十分に確保することが出来、画像信号低下をより抑制できる。
【００４９】
なお、補正命令信号ADJがアサートされる補正動作時においては、補正検出トランジスタ34がオン状態にある際には出力トランジスタ38がオフ状態であることが必要である。従って、バイアス回路70がバイアス電圧出力配線77に出力する電圧に対してオフ状態となるように、出力トランジスタ38を設計する必要がある。
【００５０】
図８は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。本変形例は、ロードトランジスタ3とバイアス用ロードトランジスタ78とを独立に制御するものである。すなわち、バイアス用ロードトランジスタ78のゲート電圧を制御することにより、バイアス電圧出力配線77に与える電圧を制御することが可能となる。これにより、補正回路30内のノードN3の電圧を自在に制御することが出来、垂直信号線2の電位低下より効果的に補正することが出来る。なお、判定トランジスタ34のソース電位を接地電位よりも高くすることで、垂直信号線2の電位低下を効果的に補正出来るのであるから、その手法としては、他にバイアス回路70の電源電位やバイアス回路70を構成するトランジスタサイズを調整することによっても良い。
【００５１】
次にこの発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について、図９を用いて説明する。図９は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。
【００５２】
図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第２の実施形態の補正回路30において、判定トランジスタ34のドレインを補正リセットトランジスタ35のソースに接続し、補正検出トランジスタ36のドレインを判定トランジスタ34のソースに接続し、ソースをバイアス電圧出力配線77に接続したものである。そして、判定トランジスタ34のドレインと補正リセットトランジスタ35のソースとの接続ノードN3を、補正出力トランジスタ38のゲートに接続したものである。
【００５３】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置の動作は上記第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５４】
上記構成の固体撮像装置によれば、上記第１の実施形態と同様に、従来に比して固体撮像装置の構成を簡略化出来る。また、本実施形態に係る固体撮像装置であると、補正検出トランジスタ36がバイアス電圧出力配線77側に設けられているため、上記第２の実施形態よりも更に光感度の向上を図ることが出来る。この点について、図９及び図１０を用いて説明する。図１０は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。
【００５５】
第１、第２の実施形態と同様に、単位画素20によって垂直信号線2が基準電位とされることによりリセット動作が行われる（図１０における時刻t1〜t2）時点では、垂直信号線2の電位は基準電位とされているので判定トランジスタ34はオン状態である。しかし、補正命令信号ADJはネゲートされているので補正検出トランジスタ36はオフ状態である。従って、ノードN3の電位はバイアス電圧出力配線77に依存せず、補正リセットトランジスタ35を介して与えられる略電源電位VDDである。その後、補正命令信号ADJがアサートされることにより補正動作が開始されるが、その時点では垂直信号線2の電位低下により判定トランジスタ34はオフ状態である。従って、やはりノードN3の電位はバイアス電圧出力配線77に依存せず、略電源電位VDDである（図１０における領域A3）。その結果、補正アドレス信号ADJ-RSがアサートされた際に、電圧出力部33の供給する電位は、基準電位そのものとなる。
【００５６】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、補正動作時におけるノードN3の電圧低下を抑制することが出来るため、補正回路30は垂直信号線2を正確に基準電位にまで設定することが出来る。そのため、読み出し時においては画像信号との差分を十分に確保することが出来、強い光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制できる。
【００５７】
また、バイアス電圧出力配線77に接続される補正検出トランジスタ36とノードN3との間に判定トランジスタ34が設けられているため、ノードN3がバイアス電圧出力配線77によって受ける影響を少なくすることが出来、ノードN3の電位をより安定化することが出来る。
【００５８】
図１１は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及びバイアス回路の回路図である。本変形例は上記第２の実施形態の変形例と同様に、ロードトランジスタ3とバイアス用ロードトランジスタ78とを独立に制御するものである。すなわち、バイアス用ロードトランジスタ78のゲート電圧を制御することにより、バイアス電圧出力配線77に与える電圧を制御することが可能となる。これにより、補正回路30内のノードN2の電圧を自在に制御することが出来、垂直信号線2の電位低下より効果的に補正することが出来る。
【００５９】
次にこの発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について、図１２を用いて説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第１の実施形態において、更に増幅回路を加えると共に、補正回路の構成を変更したものである。図１２は固体撮像装置内における単位画素、補正回路、及び増幅回路の回路図である。単位画素の構成は上記第１、第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６０】
補正回路30は、検知部31、電圧置換部32、電圧出力部33、及びスイッチングトランジスタ39を有している。検知部31は、判定トランジスタ34を含んでいる。判定トランジスタ34のゲートは、スイッチングトランジスタ39のドレインに接続されており、この接続ノードをノードN4とする。またスイッチングトランジスタ39は、前記ドレインと、接地電位に接続されたソースと、スイッチング信号SW4が入力されるゲートとを有している。電圧置換部32は、補正リセットトランジスタ35及び補正検出トランジスタ36を有している。補正リセットトランジスタ35は、補正リセット信号ADJ-RSが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正検出トランジスタ36は、補正命令信号ADJが入力されるゲート、判定トランジスタ34のソースに接続されたドレイン、及び接地電位に接続されたソースを有している。以下、判定トランジスタ34のソースと補正検出トランジスタ36のドレインとの接続ノード、判定トランジスタ34のドレインと補正リセットトランジスタ35のソースとの接続ノードを、それぞれノードN2、N3とする。電圧出力部33は、補正アドレストランジスタ37及び補正出力トランジスタ38を有している。補正アドレストランジスタ37は、補正アドレス信号ADJ-ADが入力されるゲート、電源電位VDDに接続されたドレイン、及びソースを有している。補正出力トランジスタ38は、ノードN3に接続されたゲート、補正アドレストランジスタ37のソースに接続されたドレイン、及び垂直信号線2に接続されたソースを有している。
【００６１】
増幅回路80は、スイッチングトランジスタ81、85〜88、インバータアンプ83、84、及びコンデンサ82を備えている。スイッチングトランジスタ81は、スイッチング信号SW1が入力されるゲート、垂直信号線2に接続されたドレイン、及びソースを有している。インバータアンプ83は、コンデンサ82を介してスイッチングトランジスタ81のソースに接続された入力ノード、及び出力ノードを有している。インバータアンプ84は、インバータアンプ83の出力ノードに接続された入力ノード、及び出力ノードを有している。スイッチングトランジスタ85、86は、それぞれpチャネル、nチャネルMOSトランジスタであり、CMOSスイッチを構成している。すなわち、スイッチングトランジスタ85のソースとスイッチングトランジスタ86のドレインが共通接続されてインバータアンプ84の出力ノードに接続されている。またスイッチングトランジスタ85のドレインとスイッチングトランジスタ86のソースが共通接続されて、補正回路30内のノードN4に接続されている。スイッチングトランジスタ85、86のゲートには、それぞれスイッチング信号SW5、SW4が入力されている。スイッチングトランジスタ87は、スイッチング信号SW2が入力されるゲート、スイッチングトランジスタ81のソースに接続されたドレイン、及び接地電位に接続されたソースを有している。スイッチングトランジスタ88は、スイッチング信号SW1が入力されるゲート、インバータアンプ83の入力ノードに接続されたソースまたはドレインの一方、及びインバータアンプ83の出力ノードに接続されたソースまたはドレインの他方を有している。
【００６２】
次に、上記構成の固体撮像装置の動作について、図１３、図１４を用いて説明する。図１３は固体撮像装置の動作の流れを示すフローチャートであり、図１４は、各種信号及び各ノードの電位変化を示すタイムチャートである。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００６３】
まずステップS12において、第１の実施形態と同様に、複数の単位画素のいずれかが選択される（図１４における時刻t1）。また、スイッチング信号SW1をアサートすることにより、スイッチングトランジスタ81をオン状態として、増幅回路80をオープンとする。なお、スイッチングトランジスタ81をオフ状態として、増幅回路80をクローズにしている期間は、インバータアンプ83、84の誤動作を防止するために、スイッチングトランジスタ87をオン状態として、スイッチングトランジスタ81とコンデンサ82との接続ノードの電位を接地電位としておく。
【００６４】
またステップS2において、垂直信号線2を一定の基準電位とするリセット動作が行われる（図１４における時刻t1）。すなわち、リセット信号RSがアサートされることにより、単位画素20内のリセットトランジスタ24がオン状態とされる。これにより、出力トランジスタ26がオン状態となり、垂直信号線2は基準電位とされる。同時に補正リセット信号ADJ-RSがアサートされることにより、補正回路30内の補正リセットトランジスタ35がオン状態とされる。
【００６５】
次にステップS13において、増幅回路80内のインバータアンプ83がリセットされる（図１４における時刻t1’）。すなわち、スイッチング信号SW3がアサートされることにより、スイッチングトランジスタ88がオン状態となり、インバータアンプ83の入力ノードと出力ノードとが同電位とされる。この様子を示すのが図１５である。図１５はインバータアンプの入出力特性を示すグラフである。インバータアンプの入出力ノードが等しくされると、インバータアンプ83の動作点は“L”レベルと“H”レベルの中間点に設定される。コンデンサ82のスイッチングトランジスタ81側の電極を第１電極、インバータアンプ83側の電極を第２電極とすれば、第１電極は単位画素20より与えられる基準電位であり、第２電極はインバータアンプ83の中間電位である。信号線2の電位が基準電位より僅かでも変化すれば、そのカップリングによって、第２電極の電位が変化する。従って、インバータアンプ83は、基準電位を閾値として、信号線の電位が低下すれば“H”レベルを出力し、上昇すれば“L”レベルを出力するような状態とされる。また、スイッチング信号SW4がアサートされることにより、補正回路30内のスイッチングトランジスタ39がオン状態とされ、ノードN4は接地電位とされる。従って判定トランジスタ34はオフ状態である。
【００６６】
その後、光の入射により単位画素20内のノードN1の電位が低下し、垂直信号線2の電位が低下したとする（ステップS11、図１４における時刻t2〜t3）。
【００６７】
すると、前述のようにインバータアンプ83はリセット状態にあるから、垂直信号線2の電位が僅かでも低下すると、その低下分を増幅反転させて、“H”レベル信号を出力ノードから出力する。この“H”レベル信号はインバータアンプ84で更に増幅反転されて、“L”レベル信号が出力される。
【００６８】
次に、ステップS14において、スイッチングトランジスタ85、86をオン状態として、CMOSスイッチをオープンにする（図１４における時刻t4）。この際、pチャネルMOSトランジスタであるスイッチングトランジスタ86をオン状態にするスイッチング信号SW4が、スイッチングトランジスタ39のゲートにも入力されているため、スイッチングトランジスタ39はオフ状態となる。また、インバータアンプ83の“L”レベル出力は、CMOSスイッチを介してノードN4に与えられる。従って、ノードN4の電位は相変わらず略接地電位であり、判定トランジスタ34もオフ状態を継続する。
【００６９】
次にステップS3において、単位画素20からの画像信号の読み出しに先立って、補正動作を開始する。すなわち、補正命令信号ADJをアサートすることにより、補正検出トランジスタ36がオン状態とされる（図１４における時刻t5）。
【００７０】
次にステップS4において、補正アドレス信号ADJ-ADがアサートされることにより補正アドレストランジスタ37がオン状態とされる（図１４における時刻t6）。すると、補正回路30内において、電源電位VDDからトランジスタ37、38を介して垂直信号線2に達するパスによって、垂直信号線2は改めて一定の基準電位とされる（図４における時刻t7参照）。
【００７１】
その後は第１の実施形態と同様に、ステップS3において単位画素20から画像信号が垂直信号線2に読み出される。
【００７２】
上記本実施形態に係る固体撮像装置であると、新たに増幅回路80を設けている。そして、垂直信号線2の電位を増幅回路80で増幅させて、判定トランジスタ34のゲートに入力している。従って、垂直信号線2の電位低下が僅かであっても、垂直信号線2には補正回路30から基準電位が与えられる。この効果について、上記第１乃至第３の実施形態と比較しつつ説明する。第１乃至第３の実施形態では、垂直信号線2の電位を直接判定トランジスタ34のゲートに入力して、垂直信号線2の電位低下を監視している。すると、場合によっては、垂直信号線2の電位が大幅に低下するまで判定トランジスタ34がオフ状態にならず、補正動作を開始できないことが考え得る。その結果、単位画素20内の出力トランジスタ26がオン状態とオフ状態との中間の状態を取り、垂直信号線2の電位が不安定になる恐れがある。しかし本実施形態であると、垂直信号線2の電位を増幅回路80で増幅するため、垂直信号線2の電位低下が僅かばかりのものであっても、瞬時に補正回路30によって基準電位が垂直信号線2に与えられる。従って、リセット動作時には、単位画素20内の出力トランジスタ26、または補正回路30内の補正出力トランジスタ38のいずれかが完全にオン状態である。その結果、垂直信号線2の電位を常時安定にすることが出来る。
【００７３】
また、補正命令信号ADJがアサートされる直前まで、スイッチングトランジスタ39がオン状態とされている。従ってノードN4は略接地電位であり、判定トランジスタ34はオフ状態にある。よって、ノードN3が一瞬でも接地電位になることは無く、その結果、補正回路30は基準電圧を正確に出力することが出来る。
【００７４】
更に、垂直信号線2の電位が基準電位よりも高くなった場合には、ノードN4は“H”レベルとなり、判定トランジスタ34がオン状態とされる。この際には、補正命令信号ADJをアサートすることにより、ノードN3を接地電位として、補正出力トランジスタ38をオフ状態とすれば良い。
【００７５】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、画像信号強度の低下を抑制できるだけでなく、その動作信頼性の向上を図ることが出来る。
【００７６】
図１６は、本実施形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素、補正回路、及び増幅回路の回路図である。本変形例は、スイッチングトランジスタ85、86で構成されるCMOSスイッチを、コンデンサ89に置き換えたものである。動作については図１２に示す構造と、スイッチング信号SW5を廃する他は全く同様であるので説明は省略する。本変形例によっても、上記第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
次にこの発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について、図１７を用いて説明する。図１７は、固体撮像装置の一部領域の回路図である。
【００７８】
図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第４の実施形態に係る固体撮像装置に、第２の実施形態で説明したバイアス回路70を追加したものである。そして、バイアス回路70のバイアス電圧出力配線77を、増幅回路80のスイッチングトランジスタ87のソースに接続したものである。
【００７９】
次に本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。本固体撮像装置の動作は、基本的には上記第４の実施形態とほぼ同様であるので、ここでは第４の実施形態と異なるところを説明する。
【００８０】
まず時刻t1において、単位画素20の選択、及び垂直信号線2のリセットを行う際に、スイッチング信号SW1をネゲートしてスイッチングトランジスタ81をオフ状態とすることで、増幅回路80を垂直信号線2に対してクローズにする。そして、スイッチング信号SW2をアサートしてスイッチングトランジスタ87をオン状態とすることで、インバータアンプ83の入力ノードの電位を、バイアス電圧出力配線77の電位に設定する。また、スイッチングトランジスタ81がオフ状態、スイッチングトランジスタ87がオン状態である期間に、インバータアンプ83をリセットする。
【００８１】
その後、スイッチングトランジスタ81をオン状態、スイッチングトランジスタ87をオフ状態とした後は、上記第４の実施形態の通りである。
【００８２】
本実施形態に係る固体撮像装置によれば、上記第４の実施形態で説明した効果に加えて、補正回路30が基準電圧を垂直信号線2に与える閾値を自在に設定することが可能となる。すなわち、インバータアンプ83のリセット時に、バイアス回路70が発生する電圧を、コンデンサ82の第１電極に与えている。この時、コンデンサ82の第２電極はインバータアンプ83の中間電位である。リセット動作の終了後、スイッチングトランジスタ87はオフ状態とされ、スイッチングトランジスタ81がオン状態とされることで、増幅回路80はオープンとされる。すると、信号線の電位がバイアス回路77の発生する電位と一致している際には、インバータアンプ88は相変わらず“H”レベルでも“L”レベルでもない中間点にある。他方、信号線の電位がバイアス回路77の発生する電位と異なれば、カップリングにより、コンデンサ82の第２電極の電位が変化する。この変化量が僅かであったとしても、インバータアンプ83はリセット状態にあるから、“H”レベル、または“L”レベルを出力する。すなわち、単位画素20または補正手段30いずれによって信号線2に基準電位を与えるか、という判断を、バイアス回路77の発生する電位を基準とした信号線の電位変化により行うことが出来る。その結果、垂直信号線2の電位低下を、より効果的に補正することが出来る。勿論、増幅回路80内のCMOSスイッチは、コンデンサに置き換えても良い。
【００８３】
次にこの発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置について図１９を用いて説明する。図１９は、各種信号のタイムチャートである。本実施形態は、上記第１乃至第５の実施形態に係る構造の固体撮像装置において、リセット時の動作に着目したものである。本実施形態では、第３の実施形態で説明した固体撮像装置を例に挙げて、第３の実施形態におけるリセット動作と異なる点について説明する。なお、固体撮像装置には非常に強度の大きい光が入射しているものと仮定する。
【００８４】
固体撮像装置は、図１に示すように、その水平方向を水平方向選択回路60-2によって選択される。水平方向選択回路60-2は、水平方向選択信号SLCT-ROWによって、読み出し用トランジスタ4を選択して、単位画素からの読み出し信号を出力ノードOUTに読み出す。水平方向選択信号SLCT-ROWは、垂直信号線2のリセット時にはネゲートされており（水平ブランキング期間）、単位画素から画像信号を読み出した後にアサートされる（水平有効期間）。
【００８５】
本実施形態に係る固体撮像装置では、図１９に示すように、補正動作を開始する時刻t1以前の水平ブランキング期間（時刻t0〜t0’）に、リセット信号RSをアサートしてリセットトランジスタ24をオン状態としておく。そして、次の水平ブランキング期間において、アドレス信号ADをアサートして、垂直信号線2に基準電圧を供給する。
【００８６】
本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であると、垂直信号線2の電位の補正を、より確実に行うことが出来る。なぜなら、リセット信号がアサートしてから水平有効期間を１サイクル経た後に出力トランジスタ26をオン状態としているからである。すなわち、水平有効期間１サイクルという長い期間で、ノードN1に電荷を蓄積しているため、固体撮像装置に強い光が入射している際には、ノードN1の電位を十分に低下させることが出来る。従って、判定トランジスタ34を確実にオフ状態とすることが出来る。すると、補正検出トランジスタ34をオン状態としたときに、バイアス電圧出力配線77の電圧がノードN3に達することを確実に防止でき、補正動作の信頼性をより向上できる。
【００８７】
勿論、リセット信号をアサートするのは、出力トランジスタ26をオン状態とする１サイクル前に限らず、数サイクル前であっても良い。また水平選択信号SLCT-ROWに同期している必要も必ずしも無い。
【００８８】
上記のように、この発明の実施形態に係る固体撮像装置であると、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置及びその駆動方法を提供出来る。
【００８９】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、構成を簡略化しつつ、強度の大きい光が入射した際の画像信号強度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図であり、（ａ）図は単位画素、（ｂ）図は補正回路を示す。
【図３】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図４】この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図５】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図６】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図７】この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図８】この発明の第２の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１０】この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１１】この発明の第３の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１２】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１３】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図１４】この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１５】インバータアンプの入出力特性を示す特性図。
【図１６】この発明の第４の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１７】この発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の一部領域の回路図。
【図１８】この発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【図１９】この発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の動作時の各種信号のタイムチャート。
【符号の説明】
2…垂直信号線
3、78…ロードトランジスタ
4、25、75…読み出し用トランジスタ
10…固体撮像装置
20…単位画素
21…フォトダイオード
22、33…電圧出力部
23、37、73…アドレストランジスタ
24、35、74…リセットトランジスタ
26、38、76…出力トランジスタ
30…補正回路
31…検知部
32…電圧置換部
34…判定トランジスタ
36…検出トランジスタ
39、81、85〜88…スイッチングトランジスタ
40…クランプ回路
41、82、89…コンデンサ
42、83、84…インバータ
43…クランプトランジスタ
50…サンプルホールド回路
60-1…垂直方向選択回路
60-2…水平方向選択回路
70…バイアス回路
77…バイアス電圧出力配線
80…増幅回路
Claims (9)
- 入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、
いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、
前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記信号線の電位に応じて前記信号線に第２基準電位を与える補正手段と、
第３基準電位を発生する第３基準電位発生手段と
を具備し、前記補正手段は、第１ノードと、前記リセット動作時に制御電位が与えられた第２ノードとの間を、前記信号線の電位が所定の値より高い場合には接続し、低い場合には非接続とする検知部と、
前記第１ノードと、前記第３基準電位発生手段により発生された前記第３基準電位が与えられる第３基準電位ノードとの間を、前記補正命令信号がアサートされている期間に接続し、ネゲートされている期間に非接続とする電圧置換部と、
前記第２ノードの電位に応答して動作し、前記第２ノードの電位が前記制御電位の際には動作状態であり前記信号線に前記第２基準電位を与え、非制御電位の際には非動作状態である第２基準電位発生手段と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 入射光を光電変換し、前記入射光に応じた信号電荷を出力する光検出部、及び第１基準電位を発生する第１基準電位発生手段を含む複数の単位画素がアレイ状に配置されてなる撮像手段と、
いずれかの前記単位画素を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された前記単位画素から、前記信号電荷に応じた信号電位が読み出し動作によって与えられ、前記第１基準電位がリセット動作によって与えられる信号線と、
前記信号線の電位を増幅する増幅手段と、
前記リセット動作後の補正動作時においてアサートされる補正命令信号に応答して動作し、前記増幅手段で増幅された信号線の電位が所定の値より大きく変化したか否かを検出する手段を含み、大きく変化したことを検出した場合に前記信号線に第２基準電位を与える補正手段と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記補正手段は、第１ノードと、前記リセット動作時に制御電位が与えられた第２ノードとの間を、前記信号線が所定の値より高い場合には接続し、低い場合には非接続とする検知部と、
前記第１ノードと接地電位ノードとの間を、前記補正命令信号がアサートされている期間に接続し、ネゲートされている期間に非接続とする電圧置換部と、
前記第２ノードの電位に応答して動作し、前記第２ノードの電位が前記制御電位の際には動作状態であり前記信号線に前記第２基準電位を与え、非制御電位の際には非動作状態である第２基準電位発生手段と
を備えることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記増幅手段は、前記信号線に接続された一方電極、及び第１ノードに接続された他方電極を有する容量素子と、
前記第１ノードに接続された入力ノード、並びに出力ノードを有し、入力信号を反転増幅する第１インバータと、
前記第１インバータの出力ノードに接続された入力ノード、並びに出力ノードを有し、前記第１インバータの出力を反転増幅する第２インバータと
を備え、前記補正手段は、
前記リセット動作時に制御電位が与えられた第２ノードと、第３ノードとの間を、前記第２インバータの出力が“Ｈ”レベルである場合には接続し、“Ｌ”レベルである場合には非接続とする検知部と、
前記第３ノードと接地電位ノードとの間を、前記補正命令信号がアサートされている期間に接続し、ネゲートされている期間に非接続とする電圧置換部と、
前記第２ノードの電位に応答して動作し、前記第２ノードの電位が前記制御電位の際には動作状態であり前記信号線に前記第２基準電位を与え、非制御電位の際には非動作状態である第２基準電位発生手段と
を備えることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記増幅手段は、前記第１インバータの入出力ノードを短絡する短絡スイッチを更に備え、
前記短絡スイッチは、前記リセット動作中の一部時間内にオン状態とされることにより、前記第１インバータの動作閾値を前記第１基準電位に設定する
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。 - 第３基準電位を発生し、該第３基準電位によって前記第１インバータの動作を制御する第３基準電位発生手段を更に備え、
前記増幅手段は、前記第１インバータの入出力ノードを短絡する短絡スイッチと、
前記信号線と前記容量素子の一方電極との間の接続を制御する第１接続スイッチと、
前記第１ノードと前記第３基準電位発生手段との間を接続する第２接続スイッチと
を更に備え、
前記補正動作より前の時間に、前記第１接続スイッチがオフ状態、第２接続スイッチがオン状態、前記短絡スイッチがオン状態とされることにより、前記第３基準電位が前記第１ノードに与えられ、前記補正動作時においては、前記第１インバータは前記第３基準電位に対する前記信号線の電位の変化量に応じて反転動作を行う
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。 - 前記第３基準電位発生手段は、前記第１基準電位発生手段と実質的に同一の構成を有する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。 - 前記第３基準電位を、前記第１基準電位とは独立に制御するバイアス制御手段を更に備える
ことを特徴とする請求項１、６、７いずれか１項記載の固体撮像装置。 - 前記電圧置換部は、前記第２ノードと、前記制御電位を与える制御電位ノードとの間を、前記リセット動作時に接続し、前記補正動作時に非接続とする
ことを特徴とする請求項１、４、５、６いずれか１項記載の固体撮像装置。
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