JP4247995B2 - 固体撮像素子のデータ読出回路、撮像装置および固体撮像素子のデータ読出方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子のデータ読出回路の回路規模および消費電流を削減する技術に関する。

一般に、撮像装置において、データ読出回路は、ピクセルアレイのコラム毎に設けられ、ピクセル回路から雑音信号および雑音信号が重畳されたデータ信号をそれぞれ読み出し、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）回路により同相雑音を除去した信号（実際のデータ信号）を生成し、その生成された信号をＡＤＣ（Analog-to-Digital Conversion；Ａ／Ｄ変換）回路によりＡ／Ｄ変換する。

また、特許文献１には、データ読出回路の回路規模および消費電流の削減を目的として、チョッパ型電圧比較器と、チョッパ型電圧比較器の入力ノードをピクセル回路の出力ノードに接続する第１スイッチと、チョッパ型電圧比較器の入力ノードおよびランプ信号生成部の出力ノードの間に設けられるキャパシタとを備えて構成されるデータ読出回路が開示されている。
特開２００２−２１８３４号公報

ＣＤＳ回路とＡＤＣ回路とが独立して設けられるデータ読出回路では、アンプ数の増大により回路規模が増大してしまう。この結果、データ読出回路のコストが上昇してしまう。また、アンプ数の増大は、消費電流の増大やデータ読出精度の低下の要因にもなる。さらに、特許文献１のデータ読出回路では、入力側から出力側へキャパシタを介して信号が伝達されるチョッパ型電圧比較器を用いているため、データ読出動作に要する時間が長くなってしまう。ピクセル数が多い撮像装置には高速なデータ読出動作が要求されるため、そのような撮像装置には適用できない。

本発明の目的は、固体撮像素子のデータ読出回路のデータ読出速度を低下させることなく、データ読出回路の回路規模を低減し、そのコストを削減することにある。本発明の別の目的は、固体撮像素子のデータ読出回路の消費電流を削減することにある。

本発明の一形態では、撮像装置の固体撮像素子は、雑音信号および雑音信号が重畳された仮データ信号をそれぞれ出力する。撮像装置のデータ読出回路は、雑音信号の電圧および仮データ信号の電圧に基づいて、仮データ信号から雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値を出力する。データ読出回路は、差動増幅器および測定回路を備えて構成される。差動増幅器は、雑音信号の電圧が第１入力端子に設定されるとともに、仮データ信号の電圧が第２入力端子に設定される。差動増幅器は、第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる。測定回路は、差動増幅器の第１および第２入力端子間における電圧の大小関係が入れ替わる方向に第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧が変化し始めてから差動増幅器の出力信号が反転するまでの一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果をディジタル値として出力する。

このような構成のデータ読出回路では、雑音信号を除去するためのＣＤＳ回路を特別に設けることなく、差動増幅器および測定回路によりＣＤＳ回路およびＡＤＣ回路の双方の機能（雑音除去機能およびＡ／Ｄ変換機能）を実現できる。ＣＤＳ回路を特別に設ける必要がないため、データ読出回路の回路規模を低減でき、そのコストを削減できる。また、ＣＤＳ回路とＡＤＣ回路とを個別に設ける場合に比べてアンプ数を低減できるため、データ読出回路の消費電流を削減できるうえに、データ読出精度の向上にも寄与する。さらに、キャパシタを介すことなく固体撮像素子からの信号を伝達するため、データ読出速度が低下することを回避できる。特に、撮像装置のピクセル数が多い場合に、本発明を適用することで多大な効果が得られる。

本発明の前記一形態の好ましい例では、一方の入力端子が第２入力端子である場合（すなわち、第２入力端子の電圧が仮データ信号の電圧から変化する場合）、ランプ信号生成回路は、仮データ信号の電圧が雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成する。容量素子は、一端が第２入力端子に接続され、他端がランプ信号を受ける。すなわち、容量素子の容量カップリングを利用して第２入力端子の電圧を上昇させる。このため、第２入力端子の電圧を簡易な回路構成で変化（上昇）させることができる。

本発明の前記一形態の好ましい例では、一方の入力端子が第１入力端子である場合（すなわち、第１入力端子の電圧が雑音信号の電圧から変化する場合）、ランプ信号生成回路は、仮データ信号の電圧が雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成する。容量素子は、一端が第１入力端子に接続され、他端がランプ信号を受ける。すなわち、容量素子の容量カップリングを利用して第１入力端子の電圧を下降させる。このため、第１入力端子の電圧を簡易な回路構成で変化（下降）させることができる。

本発明の前記一形態の好ましい例では、一方の入力端子が第２入力端子である場合、ランプ信号生成回路は、仮データ信号の電圧が雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成する。容量素子は、一端が第２入力端子に接続され、他端がランプ信号を受ける。すなわち、容量素子の容量カップリングを利用して第２入力端子の電圧を下降させる。このため、第２入力端子の電圧を簡易な回路構成で変化（下降）させることができる。

本発明の前記一形態の好ましい例では、一方の入力端子が第１入力端子である場合、ランプ信号生成回路は、仮データ信号の電圧が雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成する。容量素子は、一端が第１入力端子に接続され、他端がランプ信号を受ける。すなわち、容量素子の容量カップリングを利用して第１入力端子の電圧を上昇させる。このため、第１入力端子の電圧を簡易な回路構成で変化（上昇）させることができる。

本発明の前記一形態の好ましい例では、一方の入力端子は、仮データ信号の電圧が設定される第２入力端子である。第１および第２入力端子は、それぞれ反転入力端子および非反転入力端子である。すなわち、差動増幅器の第１および第２入力端子間における電圧の大小関係が入れ替わる方向に電圧が変化する入力端子は、仮データ信号の電圧が設定される非反転入力端子である。従って、非反転入力端子の電圧は仮データ信号の電圧から変化し、反転入力端子の電圧は雑音信号の電圧に設定されたままで変化しない。同一構成の複数の固体撮像素子において、各固体撮像素子から出力される雑音信号の電圧はほぼ同一ある。これに対して、各固体撮像素子から出力される仮データ信号の電圧は、各固体撮像素子の露光量に応じて異なる。従って、差動増幅器の反転入力端子の電圧を常にほぼ一定にでき、データ読出精度をより向上できる。

本発明では、差動増幅器および測定回路により雑音除去機能およびＡ／Ｄ変換機能の双方を実現できるため、データ読出速度を低下させることなくデータ読出回路の回路規模（コスト）および消費電流を低減でき、データ読出精度にも寄与できる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図中、太線で示す信号は、複数本で構成される信号である。図１は、本発明の第１実施形態を示している。第１実施形態の撮像装置ＩＤ１では、データ読出回路ＤＲＣ１は、例えば、複数のピクセル回路ＰＣ１がマトリクス状に配置されたピクセルアレイの信号出力線ＳＯＬ（コラム）毎に設けられている。

各ピクセル回路ＰＣ１（固体撮像素子）は、周知の４トランジスタ型ピクセル回路であり、ｎＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ４およびフォトダイオードＰＤを有している。トランジスタＱ１、Ｑ２は、リセット電圧供給線ＶＲとフォトダイオードＰＤのカソードとの間に直列に接続されている。トランジスタＱ１のゲートは、リセット信号ＲＳＴを受けている。トランジスタＱ２のゲートは、トリガ信号ＴＲＧを受けている。フォトダイオードＰＤのアノードは、接地線に接続されている。トランジスタＱ３、Ｑ４は、リセット電圧供給線ＶＲと信号出力線ＳＯＬとの間に直列接続されている。トランジスタＱ３のゲートは、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続ノードに接続されている。トランジスタＱ４のゲートは、セレクト信号ＳＥＬを受けている。このような４トランジスタ型ピクセル回路ＰＣ１は、トランジスタ数が多いため回路規模が増大するが、データ読出精度を向上できるという利点がある。

データ読出回路ＤＲＣ１は、差動増幅器ＡＭＰ、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、キャパシタＣ１、Ｃ２、ランプ信号生成回路ＲＳＧ１、カウンタＣＮＴおよびラッチ回路ＬＣ１（測定回路）を有している。差動増幅器ＡＭＰの反転入力端子（第１入力端子）は、一端が差動増幅器ＡＭＰの出力端子に接続されたスイッチＳＷ２の他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰの反転入力端子は、一端が接地線に接続されたキャパシタＣ２の他端にも接続されている。差動増幅器ＡＭＰの非反転入力端子（第２入力端子）は、一端が信号出力線ＳＯＬに接続されたスイッチＳＷ１の他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰの非反転入力端子は、一端でランプ信号ＲＭＰを受けるキャパシタＣ１の他端にも接続されている。

ランプ信号生成回路ＲＳＧ１は、データ読出動作におけるＡ／Ｄ変換動作の開始に伴って、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで上昇させる。カウンタＣＮＴは、Ａ／Ｄ変換動作の開始に伴ってアップカウントを開始し、カウンタ値ＣＶをラッチ回路ＬＣ１に出力する。ラッチ回路ＬＣ１（測定結果出力回路）は、差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち上がりエッジに応答してカウンタ値ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。

図２は、第１実施形態におけるデータ読出動作を示している。第１実施形態のデータ読出動作では、ピクセル回路ＰＣ１から雑音信号を読み出すためのＮリード動作、ピクセル回路ＰＣ１から実データ信号に雑音信号が重畳された仮データ信号を読み出すためのＳ＋Ｎリード動作、およびＡ／Ｄ変換動作が順次実施される。
まず、Ｎリード動作において、データ読出対象のピクセル回路ＰＣ１を選択するためのセレクト信号ＳＥＬの活性化に伴ってトランジスタＱ４がオンする。これと同時に、リセット信号ＲＳＴの活性化に伴ってトランジスタＱ１がオンする。トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続ノードの電圧（リセット電圧に対応）に応じてオンするため、信号出力線ＳＯＬは、雑音信号（リセットノイズ信号）の電圧（Ｎレベル）に設定される。そして、リセット信号ＲＳＴの非活性化後にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオンすると、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１、Ｎ２の電圧は、共にＮレベルに設定される。なお、スイッチＳＷ２がオンした際、差動増幅器ＡＭＰの反転入力端子および非反転入力端子間のオフセット電位が両入力端子間の電位差に含まれてキャパシタＣ２により保持されるため、このオフセット電位はその後の動作でキャンセルされる（オフセットキャンセル動作、Ａｕｔｏ−Ｚｅｒｏ動作）。また、リセット信号ＲＳＴの非活性化に伴ってトランジスタＱ１がオフする。

次に、Ｓ＋Ｎリード動作において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオフした後に、トリガ信号ＴＲＧの活性化に伴ってトランジスタＱ２がオンする。トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続ノードの電圧（フォトダイオードＰＤの露光量に対応）に応じてオンするため、信号出力線ＳＯＬは、仮データ信号の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）に設定される。そして、トリガ信号ＴＲＧの非活性化後にスイッチＳＷ１がオンすると、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧は、Ｓ＋Ｎレベルに設定される。このとき、スイッチＳＷ２はオフしているため、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ２の電圧は、Ｎレベルに設定されたままである。従って、差動増幅器ＡＭＰの出力信号（出力ノードＮ３の信号）は、入力ノードＮ１の電圧が入力ノードＮ２の電圧より低いことを示す低レベルに設定される。また、トリガ信号ＴＲＧの非活性化に伴ってトランジスタＱ２がオフする。なお、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）と入力ノードＮ２の電圧（Ｎレベル）との電位差Ｓが実データ信号の電圧に相当する。

この後、Ａ／Ｄ変換動作において、スイッチＳＷ１がオフした後に、ランプ信号生成回路ＲＳＧ１は、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで上昇させ始める。これに伴い、キャパシタＣ１の容量カップリングにより、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧も一定の傾きでＳ＋Ｎレベルから上昇し始める。これと同時に、カウンタＣＮＴは、カウントアップ動作を開始する。そして、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧が入力ノードＮ２の電圧（Ｎレベル）を上回ると、すなわち差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧と入力ノードＮ２の電圧との大小関係が入れ替わると、差動増幅器ＡＭＰの出力信号は、低レベルから高レベルへ変化する。差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち上がりエッジに応答して、ラッチ回路ＬＣ１は、カウンタ値ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。

このような構成のデータ読出回路ＤＲＣ１では、ＣＤＳ回路を特別に設けることなく、ＣＤＳ回路およびＡＤＣ回路の双方の機能が実現される。ＣＤＳ回路を特別に設ける必要がないため、データ読出回路ＤＲＣ１の回路規模が低減され、コストも削減される。また、ＣＤＳ回路とＡＤＣ回路とを個別に設ける場合に比べてアンプ数が低減されるため、データ読出回路ＤＲＣ１の消費電流が削減される。

図３は、本発明の比較例を示している。本発明の比較例を説明するにあたって、図１で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本発明の比較例のデータ読出回路ＤＲＣａは、ＣＤＳ回路を構成するスイッチＳＷａ、ＳＷｂ、キャパシタＣａ、Ｃｂおよび差動増幅器ＡＭＰａ、ＡＭＰｂと、ＡＤＣ回路を構成するスイッチＳＷｃ、Ｓｗｄ、ＳＷｅ、キャパシタＣｃ、差動増幅器ＡＭＰｃ、ランプ信号生成回路ＲＳＧａ、カウンタＣＮＴａおよびラッチ回路ＬＣａとを有している。

差動増幅器ＡＭＰａの非反転入力端子は、一端が信号出力線ＳＯＬに接続されたスイッチＳＷａの他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰａの非反転入力端子は、一端が接地線に接続されたキャパシタＣａの他端にも接続されている。差動増幅器ＡＭＰａの反転入力端子は、差動増幅器ＡＭＰａの出力端子に接続されている。差動増幅器ＡＭＰｂの非反転入力端子は、一端が差動増幅器ＡＭＰａの出力端子に接続されたキャパシタＣｂの他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰｂの非反転入力端子は、一端が電源線Ｖｒｅｆに接続されたスイッチＳＷｂの他端にも接続されている。差動増幅器ＡＭＰｂの反転入力端子は、差動増幅器ＡＭＰｂの出力端子に接続されている。

差動増幅器ＡＭＰｃの非反転入力端子は、一端が差動増幅器ＡＭＰｂの出力端子に接続されたスイッチＳＷｃの他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰｃの非反転入力端子は、一端でランプ信号ＲＭＰを受けるスイッチＳＷｄの他端にも接続されている。差動増幅器ＡＭＰｃの反転入力端子は、一端が差動増幅器ＡＭＰｃの出力端子に接続されたスイッチＳＷｅの他端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰｃの反転入力端子は、一端が接地線に接続されたキャパシタＣｃの他端にも接続されている。

ランプ信号生成回路ＲＳＧａは、データ読出動作におけるＡ／Ｄ変換動作の開始に伴って、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで下降させる。カウンタＣＮＴａは、Ａ／Ｄ変換動作の開始に伴ってアップカウント動作を開始し、カウンタ値ＣＶをラッチ回路ＬＣａに出力する。ラッチ回路ＬＣａは、差動増幅器ＡＭＰｃの出力信号の立ち下がりエッジに応答してカウンタ値ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。

図４は、本発明の比較例におけるデータ読出動作を示している。第１実施形態と同様に、本発明の比較例のデータ読出動作では、Ｎリード動作、Ｓ＋Ｎリード動作およびＡ／Ｄ変換動作が順次実施される。
まず、Ｎリード動作において、データ読出対象のピクセル回路ＰＣ１を選択するためのセレクト信号ＳＥＬの活性化に伴ってトランジスタＱ４がオンする。これと同時に、リセット信号ＲＳＴの活性化に伴ってトランジスタＱ１がオンする。トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続ノードの電圧（リセット電圧に対応）に応じてオンするため、信号出力線ＳＯＬは、雑音信号の電圧（Ｎレベル）に設定される。また、リセット信号ＲＳＴの活性化に伴ってスイッチＳＷｂがオンする。そして、リセット信号ＲＳＴの非活性化後にスイッチＳＷａがオンすると、差動増幅器ＡＭＰａの出力ノードＮａの電圧は、Ｎレベルに設定される。また、リセット信号ＲＳＴの非活性化に伴ってトランジスタＱ１がオフする。

次に、Ｓ＋Ｎリード動作において、スイッチＳＷａ、ＳＷｂが共にオフした後に、トリガ信号ＴＲＧの活性化に伴ってトランジスタＱ２がオンする。トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続ノードの電圧（フォトダイオードＰＤの露光量）に応じてオンするため、信号出力線ＳＯＬは、仮データ信号の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）に設定される。そして、トリガ信号ＴＲＧの非活性化後にスイッチＳＷａがオンすると、差動増幅器ＡＭＰａの出力ノードＮａの電圧は、Ｓ＋Ｎレベルに設定される。これと同時に、スイッチＳＷｃ、ＳＷｅが共にオンすると、差動増幅器ＡＭＰｃの入力ノードＮｂ、Ｎｃは、共に電圧ＶｒｅｆからＮレベルとＳ＋Ｎレベルとの電位差Ｓを引いた電圧（Ｖｒｅｆ−Ｓ）に設定される。

この後、Ａ／Ｄ変換動作において、スイッチＳＷａ、ＳＷｃ、ＳＷｅがオフし、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄがオンした後に、ランプ信号生成回路ＲＳＧａは、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで下降させ始める。これにより、差動増幅器ＡＭＰｃの入力ノードＮｂの電圧も一定の傾きで電圧Ｖｒｅｆから下降し始める。これと同時に、カウンタＣＮＴは、カウントアップ動作を開始する。そして、差動増幅器ＡＭＰｃの入力ノードＮｂの電圧が入力ノードＮｃの電圧（Ｖｒｅｆ−Ｓ）を下回ると、差動増幅器ＡＭＰｃの出力信号は、高レベルから低レベルへ変化する。差動増幅器ＡＭＰｃの出力信号の立ち下がりエッジに応答して、ラッチ回路ＬＣａは、カウンタ値信号ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値信号ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。

このような構成のデータ読出回路ＤＲＣａでは、ＣＤＳ回路とＡＤＣ回路とが個別に設けられているため、アンプ数の増大により回路規模が増大してしまう。この結果、データ読出回路ＤＲＣａのコストが上昇してしまう。また、アンプ数が増大するため、データ読出回路ＤＲＣａの消費電流が増大するうえに、データ読出精度が低下してしまう。
以上、第１実施形態では、ＣＤＳ回路およびＡＤＣ回路を一体化して構成できるため、データ読出速度を低下させることなくデータ読出回路ＤＲＣ１の回路規模（コスト）および消費電流を低減でき、データ読出精度の向上にも寄与できる。また、キャパシタＣ１の容量カップリングを利用して差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧を上昇させるため、差動増幅器ＡＭＰの非反転入力端子の電圧を簡易な回路構成で上昇させることができる。さらに、差動増幅器ＡＭＰの非反転入力端子の電圧をＳ＋Ｎレベルから上昇させ、反転入力端子の電圧をＮレベルに設定したままで変化させないため、差動増幅器ＡＭＰの特性を向上でき、データ読出精度の向上に寄与できる。

図５は、本発明の第２実施形態を示している。第２実施形態を説明するにあたって、第１実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態と同様に、第２実施形態の撮像装置ＩＤ２では、データ読出回路ＤＲＣ２は、例えば、複数のピクセル回路ＰＣ１がマトリクス状に配置されたピクセルアレイにおける信号出力線ＳＯＬ（コラム）毎に設けられている。データ読出回路ＤＲＣ２は、キャパシタＣ１が接地線に接続され、キャパシタＣ２がランプ信号ＲＭＰを受けること、および第１実施形態（図１）のランプ信号生成回路ＲＳＧ１に代えてランプ信号生成回路ＲＳＧ２を有することを除いて、第１実施形態のデータ読出回路ＤＲＣ１と同一である。ランプ信号生成回路ＲＳＧ２は、データ読出動作におけるＡ／Ｄ変換動作の開始に伴って、ランプ信号ＲＭＰを所定の傾きで下降させる。

図６は、第２実施形態におけるデータ読出動作を示している。まず、第１実施形態（図２）と同様に、Ｎリード動作およびＳ＋Ｎリード動作が順次実施される。この後、Ａ／Ｄ変換動作において、スイッチＳＷ１がオフした後に、ランプ信号生成回路ＲＳＧ２は、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで下降させ始める。これにより、キャパシタＣ２の容量カップリングにより、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ２の電圧も一定の傾きでＮレベルから下降し始める。これと同時に、カウンタＣＮＴは、カウントアップ動作を開始する。

そして、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ２の電圧が入力ノードＮ１の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）を下回ると、差動増幅器ＡＭＰの出力信号は、低レベルから高レベルへ変化する。差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち上がりエッジに応答して、ラッチ回路ＬＣ１は、カウンタ値ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。以上のような第２実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３実施形態を示している。第３実施形態を説明するにあたって、第１および第２実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態と同様に、第３実施形態の撮像装置ＩＤ３では、データ読出回路ＤＲＣ３は、例えば、複数のピクセル回路ＰＣ２がマトリクス状に配置されたピクセルアレイにおける信号出力線ＳＯＬ（コラム）毎に設けられている。

各ピクセル回路ＰＣ２は、周知の３トランジスタ型ピクセル回路であり、第１実施形態（図１）のピクセル回路ＰＣ１からトランジスタＱ２を取り除いて構成されている。このような３トランジスタ型ピクセル回路は、データ読出精度が低下するが、トランジスタ数が少ないため回路規模を低減できるという利点がある。データ読出回路ＤＲＣ３は、第１実施形態（図１）のランプ信号生成回路ＲＳＧ１に代えて第２実施形態（図５）のランプ信号生成回路ＲＳＧ２を有すること、および第１実施形態のラッチ回路ＬＣ１に代えてラッチ信号ＬＣ２を有することを除いて、第１実施形態のデータ読出回路ＤＲＣ１と同一である。ラッチ回路ＬＣ２は、差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち下がりエッジに応答して、カウンタ値ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。

図８は、第３実施形態におけるデータ読出動作を示している。第３実施形態のデータ読出動作では、ピクセル回路ＰＣ２から実データ信号に雑音信号が重畳された仮データ信号を読み出すためのＳ＋Ｎリード動作、ピクセル回路ＰＣ２から雑音信号を読み出すためのＮリード動作、およびＡ／Ｄ変換動作が順次実施される。
まず、Ｓ＋Ｎリード動作において、データ読出動作の対象となるピクセル回路ＰＣ１を選択するためのセレクト信号ＳＥＬの活性化に伴ってトランジスタＱ４がオンする。このとき、トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１およびフォトトランジスタＰＤの接続ノードの電圧（フォトトランジスタＰＤの露光量）に応じてオンしているため、信号出力線ＳＯＬは、仮データ信号の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）に設定される。そして、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオンすると、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１、Ｎ２の電圧は、共にＳ＋Ｎレベルに設定される。

次に、Ｎリード動作において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオフした後に、リセット信号ＲＳＴの活性化に伴ってトランジスタＱ１がオンする。これにより、信号出力線ＳＯＬは、雑音信号の電圧（Ｎレベル）に設定される。そして、リセット信号ＲＳＴの非活性化後にスイッチＳＷ１がオンすると、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧は、Ｎレベルに設定される。従って、差動増幅器ＡＭＰの出力信号は、入力ノードＮ１の電圧が入力ノードＮ２の電圧より高いことを示す高レベルに設定される。また、リセット信号ＲＳＴの非活性化に伴ってトランジスタＱ１がオフする。

この後、Ａ／Ｄ変換動作において、スイッチＳＷ１がオフした後に、ランプ信号生成回路ＲＳＧ２は、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで下降させ始める。これ伴い、キャパシタＣ１の容量カップリングにより、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧が一定の傾きでＮレベルから下降し始める。これと同時に、カウンタＣＮＴは、カウントアップ動作を開始する。そして、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ１の電圧が入力ノードＮ２の電圧（Ｓ＋Ｎレベル）を下回ると、差動増幅器ＡＭＰの出力信号は、高レベルから低レベルへ変化する。差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち下がりエッジに応答して、ラッチ回路ＬＣ２は、カウンタ値信号ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値信号ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。以上のような第３実施形態では、データ読出動作の対象が３トランジスタ型ピクセル回路である場合にも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第４実施形態を示している。第４実施形態を説明するにあたって、第１〜第３実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第３実施形態と同様に、第４実施形態の撮像装置ＩＤ４では、データ読出回路ＤＲＣ４は、例えば、複数のピクセル回路ＰＣ２がマトリクス状に配置されたピクセルアレイにおける信号出力線ＳＯＬ（コラム）毎に設けられている。データ読出回路ＤＲＣ４は、第２実施形態（図５）のランプ信号生成回路ＲＳＧ２に代えて第１実施形態（図１）のランプ信号生成回路ＲＳＧ１を有すること、および第１実施形態のラッチ回路ＬＣ１に代えて第３実施形態（図７）のラッチ信号ＬＣ２を有することを除いて、第２実施形態のデータ読出回路ＤＲＣ２と同一である。

図１０は、第４実施形態におけるデータ読出動作を示している。第４実施形態のデータ読出動作では、まず、第３実施形態（図８）と同様に、Ｓ＋Ｎリード動作およびＮリード動作が順次実施される。この後、Ａ／Ｄ変換動作において、スイッチＳＷ１がオフした後に、ランプ信号生成回路ＲＳＧ１は、ランプ信号ＲＭＰの電圧を所定の傾きで上昇させ始める。これに伴い、キャパシタＣ２の容量カップリングにより、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ２の電圧が一定の傾きでＳ＋Ｎレベルから上昇し始める。これと同時に、カウンタＣＮＴは、カウントアップ動作を開始する。そして、差動増幅器ＡＭＰの入力ノードＮ２の電圧が入力ノードＮ１の電圧（Ｎレベル）を上回ると、差動増幅器ＡＭＰの出力信号は、高レベルから低レベルへ変化する。差動増幅器ＡＭＰの出力信号の立ち下がりエッジに応答して、ラッチ回路ＬＣ２は、カウンタ値信号ＣＶをラッチし、ラッチしたカウンタ値信号ＣＶをＡ／Ｄ変換結果のディジタル値Ｄｏとして出力する。以上のような第４実施形態でも、第１および第３実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第４実施形態では、データ読出回路内に１段の差動増幅器を設けた例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、必要なゲインに応じて、データ読出回路内に多段の差動増幅器を設けてもよい。また、第１および第２実施形態（第３および第４実施形態）では、Ｓ＋Ｎリード動作（Ｎリード動作）時に、スイッチＳＷ１を一旦オフさせる例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、Ｓ＋Ｎリード動作（Ｎリード動作）時に、データ読出回路側からピクセル回路側への影響を無視してよい場合、スイッチＳＷ１をオンさせたままにしてもよい。

また、第１〜第４実施形態では、仮データ信号の読出電圧が雑音信号の読出電圧より低い例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、フォトダイオードＰＤとして特性が逆のものを使用する場合、仮データ信号の読出電圧は雑音信号の読出電圧より高くなり、データ読出回路に適用するランプ信号ＲＭＰの電圧変化方向（上昇方向または下降方向）に逆の特性を与えなければならないことは言うまでもない。

以上の実施形態において説明した発明を整理して、付記として開示する。
（付記１）
固体撮像素子の雑音信号の電圧が第１入力端子に設定されるとともに、前記固体撮像素子の前記雑音信号が重畳された仮データ信号の電圧が第２入力端子に設定され、前記第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器と、
前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値として出力する測定回路とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記２）
付記１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記３）
付記１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記４）
付記１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記５）
付記１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記６）
付記２〜５のいずれかに記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記測定回路は、
前記ランプ信号の電圧が変化し始めたときにカウント動作を開始するカウンタと、
前記出力信号の反転に応答して前記カウンタのカウンタ値を取得して前記ディジタル値として出力する測定結果出力回路とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記７）
付記１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
前記一方の入力端子は、前記第２入力端子であり、
前記第１および第２入力端子は、それぞれ反転入力端子および非反転入力端子であることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
（付記８）
雑音信号および前記雑音信号が重畳された仮データ信号をそれぞれ出力する固体撮像素子と、
前記雑音信号の電圧および前記仮データ信号の電圧に基づいて、前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値を出力するデータ読出回路とを備え、
前記データ読出回路は、
前記雑音信号の電圧が第１入力端子に設定されるとともに、前記仮データ信号の電圧が第２入力端子に設定され、前記第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器と、
前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記ディジタル値として出力する測定回路とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記９）
付記８記載の撮像装置において、
前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
前記データ読出回路は、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記１０）
付記８記載の撮像装置において、
前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
前記データ読出回路は、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記１１）
付記８記載の撮像装置において、
前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
前記データ読出回路は、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記１２）
付記８記載の撮像装置において、
前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
前記データ読出回路は、
前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記１３）
付記９〜１２のいずれかに記載の撮像装置において、
前記測定回路は、
前記ランプ信号の電圧が変化し始めたときにカウント動作を開始するカウンタと、
前記出力信号の反転に応答して前記カウンタのカウンタ値を取得して前記ディジタル値として出力する測定結果出力回路とを備えていることを特徴とする撮像装置。
（付記１４）
付記８記載の撮像装置において、
前記一方の入力端子は、前記第２入力端子であり、
前記第１および第２入力端子は、それぞれ反転入力端子および非反転入力端子であることを特徴とする撮像装置。
（付記１５）
第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器の前記第１入力端子に固体撮像素子の雑音信号の電圧を設定するとともに、前記第２入力端子に前記固体撮像素子の前記雑音信号が重畳された仮データ信号の電圧を設定し、
前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧を変化させ、
前記一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値として出力することを特徴とする固体撮像素子のデータ読出方法。

付記６または付記１３の発明では、測定回路のカウンタは、ランプ信号の電圧が変化し始めたときにカウント動作を開始する。測定回路の測定結果出力回路は、差動増幅器の出力信号の反転に応答してカウンタのカウンタ値を取得してディジタル値として出力する。これにより、一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果をディジタル値として出力する測定回路を容易に構成できる。

以上、本発明について詳細に説明してきたが、前述の実施形態およびその変形例は発明の一例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明を逸脱しない範囲で変形可能であることは明らかである。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 第１実施形態におけるデータ読出動作を示すタイミングチャートである。 本発明の比較例を示すブロック図である。 本発明の比較例におけるデータ読出動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 第２実施形態におけるデータ読出動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態を示すブロック図である。 第３実施形態におけるデータ読出動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態を示すブロック図である。 第４実施形態におけるデータ読出動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

ＡＭＰ 差動増幅器
Ｃ１、Ｃ２ キャパシタ
ＣＮＴ カウンタ
ＣＶ カウンタ値
ＤＲＣ１〜ＤＲＣ４ データ読出回路
Ｄｏ ディジタル値
ＩＤ１〜ＩＤ４ 撮像装置
ＬＣ１、ＬＣ２ ラッチ回路
Ｎ１、Ｎ２ 入力ノード
Ｎ３ 出力ノード
ＰＣ１、ＰＣ２ ピクセル回路
Ｑ１〜Ｑ４ ｎＭＯＳトランジスタ
ＲＭＰ ランプ信号
ＲＳＧ１、ＲＳＧ２ ランプ信号生成回路
ＲＳＴ リセット信号
ＳＥＬ セレクト信号
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ
ＴＲＧ トリガ信号
ＶＲ リセット電圧供給線

Claims (10)

1. 固体撮像素子の雑音信号の電圧が第１入力端子に設定されるとともに、前記固体撮像素子の前記雑音信号が重畳された仮データ信号の電圧が第２入力端子に設定され、前記第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器と、
   前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値として出力する測定回路とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
2. 請求項１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
   前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
3. 請求項１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
   前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
4. 請求項１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
   前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
5. 請求項１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
   前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも高い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
6. 請求項１記載の固体撮像素子のデータ読出回路において、
   前記一方の入力端子は、前記第２入力端子であり、
   前記第１および第２入力端子は、それぞれ反転入力端子および非反転入力端子であることを特徴とする固体撮像素子のデータ読出回路。
7. 雑音信号および前記雑音信号が重畳された仮データ信号をそれぞれ出力する固体撮像素子と、
   前記雑音信号の電圧および前記仮データ信号の電圧に基づいて、前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値を出力するデータ読出回路とを備え、
   前記データ読出回路は、
   前記雑音信号の電圧が第１入力端子に設定されるとともに、前記仮データ信号の電圧が第２入力端子に設定され、前記第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器と、
   前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記ディジタル値として出力する測定回路とを備えていることを特徴とする撮像装置。
8. 請求項７記載の撮像装置において、
   前記一方の入力端子が前記第２入力端子である場合、
   前記データ読出回路は、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が上昇するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第２入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
9. 請求項７記載の撮像装置において、
   前記一方の入力端子が前記第１入力端子である場合、
   前記データ読出回路は、
   前記仮データ信号の電圧が前記雑音信号の電圧よりも低い場合に、所定の傾きで電圧が下降するランプ信号を生成するランプ信号生成回路と、
   一端が前記第１入力端子に接続され、他端が前記ランプ信号を受ける容量素子とを備えていることを特徴とする撮像装置。
10. 第１および第２入力端子間における電圧の大小関係の入れ替わりに応答して出力信号を反転させる差動増幅器の前記第１入力端子に固体撮像素子の雑音信号の電圧を設定するとともに、前記第２入力端子に前記固体撮像素子の前記雑音信号が重畳された仮データ信号の電圧を設定し、
    前記大小関係が入れ替わる方向に前記第１および第２入力端子における一方の入力端子の電圧を変化させ、
    前記一方の入力端子の電圧が変化し始めてから前記出力信号が反転するまでの前記一方の入力端子の電圧変化量を測定し、測定結果を前記仮データ信号から前記雑音信号が除去された実データ信号の電圧を示すディジタル値として出力することを特徴とする固体撮像素子のデータ読出方法。
    

Images