JP4315032B2 - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents

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

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Description

本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に単位画素の行列状配列の列毎に出力される信号を読み出し回路で増幅して読み出した後、水平走査にて順次出力する構成の固体撮像装置および当該固体撮像装置の駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device, and more particularly, a configuration in which a signal output for each column of a matrix-like array of unit pixels is amplified by a readout circuit and then sequentially output in horizontal scanning The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device.

デジタルスチルカメラなど、光を電気信号に変換して画像信号を出力する撮像装置において、その撮像デバイスとして用いられる固体撮像装置には、MOS(Metal-Oxide Semiconductor;金属酸化膜半導体)型イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device;電荷結合素子)型イメージセンサなどがある。これらのうち、MOS型イメージセンサは、開発当初、画素と選択スイッチのみで構成されるパッシブ型と呼ばれる構造であったことから、読み出される信号が微弱であるためにノイズに対して弱いという欠点があった。   In an imaging apparatus that converts light into an electrical signal and outputs an image signal, such as a digital still camera, a solid-state imaging apparatus used as the imaging device includes a MOS (Metal-Oxide Semiconductor) type image sensor, There are CCD (Charge Coupled Device) type image sensors. Among these, the MOS type image sensor has a structure called a passive type composed of only a pixel and a selection switch at the beginning of development, and thus has a drawback that it is weak against noise because a read signal is weak. there were.

しかし、CMOS集積回路と同様のプロセスで製造できるCMOSイメージセンサが開発され、CMOSプロセスに付随した微細化技術により、画素ごとに増幅器を有するアクティブ型の構造が容易に作れるようになったことから、上述のような欠点を克服することができた。また、CMOSイメージセンサは、画素部以外の駆動回路、信号処理回路を同一チップに集積できるという特徴をもっている。このため、近年、CMOSイメージセンサに関してより多くの研究開発がなされている。   However, a CMOS image sensor that can be manufactured by a process similar to that of a CMOS integrated circuit has been developed, and an active structure having an amplifier for each pixel can be easily created by a miniaturization technique associated with the CMOS process. The above disadvantages could be overcome. Further, the CMOS image sensor has a feature that a drive circuit and a signal processing circuit other than the pixel portion can be integrated on the same chip. For this reason, in recent years, more research and development has been made on CMOS image sensors.

CMOSイメージセンサにおける画素信号の読み出し回路の従来例を図8に示す。図8において、画素101に蓄積された電荷を、画素ごとに配置された選択トランジスタN1を介して、スイッチトキャパシタ型積分回路102で読み出す構成となっており、この画素信号を読み出す回路が列毎に配置されている(例えば、特許文献1参照)。スイッチトキャパシタ型積分回路102は、非反転(+)入力端子にリファレンス電圧Vrefが与えられる差動増幅器103と、当該差動増幅器103の反転(−)入力端子に接続された入力容量104と、差動増幅器103の出力端子と反転入力端子との間に接続された帰還容量105およびスイッチ106を有する構成となっている。   A conventional example of a pixel signal readout circuit in a CMOS image sensor is shown in FIG. In FIG. 8, the charge accumulated in the pixel 101 is read out by the switched capacitor type integration circuit 102 via the selection transistor N1 arranged for each pixel, and a circuit for reading out the pixel signal is provided for each column. (For example, refer patent document 1). The switched capacitor integration circuit 102 includes a differential amplifier 103 to which a reference voltage Vref is applied to a non-inverting (+) input terminal, and an input capacitor 104 connected to the inverting (−) input terminal of the differential amplifier 103. The feedback amplifier 105 and the switch 106 are connected between the output terminal and the inverting input terminal of the dynamic amplifier 103.

ここで、入力容量104の容量値をCi、帰還容量105の容量値をCfとすると、スイッチトキャパシタ型積分回路102は、画素101に蓄積された画素信号Vtと画素101を初期化したときのリセット信号Vnの差分値(Vt−Vn)にCi/Cfの容量比をかけ、リファレンス電圧Vrefを基準にして反転することで、画素101の信号として読み出す。このスイッチトキャパシタ型積分回路102では、差動増幅器103の帰還容量Cfをスイッチ105によって任意に選択し、Ci/Cfの容量比を変えることにより、画像信号の増幅率を任意に変更することができる。   Here, assuming that the capacitance value of the input capacitor 104 is Ci and the capacitance value of the feedback capacitor 105 is Cf, the switched capacitor integration circuit 102 resets the pixel signal Vt accumulated in the pixel 101 and the pixel 101 when initialized. The difference value (Vt−Vn) of the signal Vn is multiplied by the capacitance ratio of Ci / Cf and inverted with reference to the reference voltage Vref to read out as a signal of the pixel 101. In this switched capacitor integration circuit 102, the feedback capacitor Cf of the differential amplifier 103 is arbitrarily selected by the switch 105, and the amplification ratio of the image signal can be arbitrarily changed by changing the capacitance ratio of Ci / Cf. .

ここでは、画素101がパッシブ型で構成されている場合を例に挙げているが、アクティブ型の場合には、画素201は図9に示すような構成になる。このアクティブ型の画素201に対応した読み出し回路の従来例を図10に示す。   Here, a case where the pixel 101 is configured as a passive type is taken as an example, but in the case of an active type, the pixel 201 has a configuration as shown in FIG. A conventional example of a readout circuit corresponding to the active pixel 201 is shown in FIG.

図10に示す回路では、画素201に蓄積された電荷を、画素ごとに配置され、トランジスタM4とソースフォロアを形成するトランジスタM2のゲートで受け、読み出された信号をスイッチトキャパシタ型積分回路202で読み出す構成となっている。スイッチトキャパシタ型積分回路202は、非反転入力端子にリファレンス電圧Vref1が与えられる差動増幅器203と、当該差動増幅器203の反転入力端子に接続された入力容量204と、差動増幅器203の出力端子と反転入力端子との間に並列に接続された帰還容量205およびスイッチ206を有する構成となっている。   In the circuit shown in FIG. 10, the charge accumulated in the pixel 201 is received by the gate of the transistor M2, which is arranged for each pixel and forms a source follower with the transistor M4, and the read signal is received by the switched capacitor integration circuit 202. It is configured to read. The switched capacitor integration circuit 202 includes a differential amplifier 203 to which a reference voltage Vref1 is applied to a non-inverting input terminal, an input capacitor 204 connected to the inverting input terminal of the differential amplifier 203, and an output terminal of the differential amplifier 203. And a inverting input terminal, a feedback capacitor 205 and a switch 206 are connected in parallel.

ここで、入力容量204の容量値をC1、帰還容量505の容量値をC2とすると、スイッチトキャパシタ型積分回路202は、画素201に蓄積された画素信号Vdと画素201を初期化したときのリセット信号Vpの差分値(Vd−Vp)にC1/C2の容量比をかけ、リファレンス電圧Vref1を基準にして反転することで、画素201の信号として読み出す。したがって、図8と同様に、読み出される画像信号を増幅するにはC1/C2の容量比を変えることで実現できる。   Here, assuming that the capacitance value of the input capacitor 204 is C1 and the capacitance value of the feedback capacitor 505 is C2, the switched capacitor integration circuit 202 resets the pixel signal Vd accumulated in the pixel 201 and the pixel 201 when it is initialized. The difference value (Vd−Vp) of the signal Vp is multiplied by a capacitance ratio of C1 / C2, and is inverted with reference to the reference voltage Vref1, thereby reading out the signal of the pixel 201. Therefore, as in FIG. 8, amplifying the read image signal can be realized by changing the capacitance ratio of C1 / C2.

特開2003320146号公報JP2003320146A

しかしながら、上記従来例に係るCMOSイメージセンサでは、帰還容量Cf/C2の容量値を調節することにより、画像信号の増幅率を変更するようにしているため、以下に説明する二つの問題点が挙げられる。その一つは、画素信号の読み出し回路に入力されるノイズ(固定パターンノイズ、ランダムノイズ)も単純に容量比(Ci/Cf,C1/C2)で増幅されてしまうという問題である。   However, in the CMOS image sensor according to the above-described conventional example, the amplification value of the image signal is changed by adjusting the capacitance value of the feedback capacitance Cf / C2. Therefore, there are two problems described below. It is done. One of the problems is that noise (fixed pattern noise, random noise) input to the pixel signal readout circuit is also simply amplified by the capacitance ratio (Ci / Cf, C1 / C2).

すなわち、容量比を4倍にして増幅率を4倍とすれば、画像信号が4倍されるが、ノイズも同じく4倍されてしまうため、S/Nは改善されない。固体撮像装置の性能の一つであるノイズ特性S/Nは直接、画像として目に見える形で現れ、特に暗いシーンでの撮影においてはゲインをかけることが多く、ノイズによるざらつき感がより強調されてしまうことから、その特性を改善することが望ましい。   That is, if the capacity ratio is 4 times and the amplification factor is 4 times, the image signal is 4 times, but the noise is also 4 times, so the S / N is not improved. Noise characteristics S / N, which is one of the performances of solid-state imaging devices, appears directly as an image, and gains are often applied especially when shooting in dark scenes. Therefore, it is desirable to improve the characteristics.

ここで、CMOSイメージセンサは、構造的に、画素毎のトランジスタ特性のばらつきと、入射光量と無関係に発生する暗電流によって固定パターンノイズ(FPN)が発生しやすいとされている。この固定パターンノイズの内、画素間固定パターンノイズや列毎の固定パターンノイズについてはCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)などの周知の技術で抑圧できるため、ノイズ特性として特にその特性の改善が望まれるのはランダムノイズとなる。   Here, the CMOS image sensor is structurally likely to generate fixed pattern noise (FPN) due to variations in transistor characteristics for each pixel and a dark current generated regardless of the amount of incident light. Among these fixed pattern noises, inter-pixel fixed pattern noise and fixed pattern noise for each column can be suppressed by a well-known technique such as CDS (Correlated Double Sampling). What is desired is random noise.

次に、従来技術のもう一つの問題は、増幅率を調整するために容量を分割してしまうことによる増幅率ばらつき増加の問題である。図8に示すように、増幅率を調節するためには帰還容量Cfを複数の容量に分割する必要があり、例えば8倍の増幅率を得るためには入力容量Ciの1/8の容量を用意する必要がある。容量値は面積に比例し、容量値ばらつきは面積が小さいほど増加する。したがって、容量を小さくすると、容量値ばらつきが増加することになるため、増幅率Ci/Cfのばらつきにそのまま反映されてしまう。このゲインばらつきは、ゲインを多段に変更可能な構成にした場合、単調増加を保証しにくくさせ、そのまま歩留まり低下につながることになる。   Next, another problem of the prior art is an increase in variation in amplification factor caused by dividing the capacity in order to adjust the amplification factor. As shown in FIG. 8, in order to adjust the amplification factor, it is necessary to divide the feedback capacitor Cf into a plurality of capacitors. For example, in order to obtain an amplification factor of 8 times, the capacity of 1/8 of the input capacitor Ci is set. It is necessary to prepare. The capacitance value is proportional to the area, and the variation in capacitance value increases as the area decreases. Therefore, if the capacitance is reduced, the capacitance value variation increases, and therefore, it is directly reflected in the variation of the amplification factor Ci / Cf. This gain variation makes it difficult to guarantee a monotonous increase when the gain can be changed in multiple stages, which leads to a decrease in yield.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、読み出す画素信号を増幅するに当たって、良好なノイズ特性(高いS/N)を得ることができるとともに、ゲインばらつきを抑えて精度の高い増幅率を設定可能な固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to obtain good noise characteristics (high S / N) and a gain variation in amplifying a pixel signal to be read. It is an object to provide a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device capable of setting a high gain with high accuracy.

上記目的を達成するために、本発明では、光電変換素子を含み、リセット時のリセット信号と前記光電変換素子で光電変換された電荷に応じた画素信号とを出力する単位画素が行列状に2次元配置されてなる固体撮像装置において、前記単位画素の行列状配列に対して列毎に配置される読み出し回路が次のような構成を採っている。
すなわち、読み出し回路は、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、
前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、
反転入力端子が前記入力容量の出力端に接続され、非反転入力端子にクランプ電圧が与えられる差動増幅器と、
前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、
前記差動増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された第3のスイッチ手段と、
一端が前記差動増幅器の反転入力端子に接続された帰還容量と、
一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記差動増幅器の出力端子に接続された第4のスイッチ手段とを有する、
または、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、
前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、
入力端子が前記入力容量の出力端に接続されたシングルエンドの反転増幅器と、
前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、
一端が前記反転増幅器の入力端子に接続された帰還容量と、
一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記反転増幅器の出力端子に接続された第3のスイッチ手段と、
前記反転増幅器の入力端子と出力端子との間に接続された第4のスイッチ手段と、
前記帰還容量と前記第3のスイッチ手段との共通接続ノードにクランプ電圧を与える第5のスイッチ手段とを有する
構成となっている。
そして、これらの読み出し回路は、前記リセット信号および前記画素信号についてそれぞれ前記第1のスイッチ手段によって前記単位画素の1つにつき複数回ずつサンプリングしかつ前記入力容量を介して前記差動増幅器の反転入力端子(または、前記反転増幅器の入力端子)に入力し、当該複数回サンプリングした前記リセット信号と前記画素信号とを前記帰還容量で加算する処理を行う。
In order to achieve the above object, in the present invention, unit pixels that include a photoelectric conversion element and output a reset signal at the time of resetting and a pixel signal corresponding to a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element are arranged in a matrix. In a solid-state imaging device having a three-dimensional arrangement, a readout circuit arranged for each column with respect to the matrix arrangement of unit pixels has the following configuration.
That is, the readout circuit is
First switch means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel;
An input capacitor having an input end connected to the output side of the first switch means;
A differential amplifier in which an inverting input terminal is connected to an output terminal of the input capacitor, and a clamp voltage is applied to a non-inverting input terminal;
Second switch means for selectively connecting an input terminal of the input capacitor to a node of a fixed potential;
Third switch means connected between an inverting input terminal and an output terminal of the differential amplifier;
A feedback capacitor having one end connected to the inverting input terminal of the differential amplifier;
A fourth switch means having one end connected to the other end of the feedback capacitor and the other end connected to the output terminal of the differential amplifier;
Or
First switch means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel;
An input capacitor having an input end connected to the output side of the first switch means;
A single-ended inverting amplifier having an input terminal connected to the output terminal of the input capacitor;
Second switch means for selectively connecting an input terminal of the input capacitor to a node of a fixed potential;
A feedback capacitor having one end connected to the input terminal of the inverting amplifier;
Third switch means having one end connected to the other end of the feedback capacitor and the other end connected to the output terminal of the inverting amplifier;
A fourth switch means connected between an input terminal and an output terminal of the inverting amplifier;
And fifth switch means for applying a clamp voltage to a common connection node between the feedback capacitor and the third switch means.
It has a configuration.
The readout circuit samples the reset signal and the pixel signal by the first switch means a plurality of times per one of the unit pixels, and the inverting input of the differential amplifier via the input capacitor. A process of adding the reset signal sampled a plurality of times and the pixel signal to the terminal (or the input terminal of the inverting amplifier) by the feedback capacitor is performed.

上記構成の固体撮像装置において、単位画素から出力されるリセット信号および前記画素信号についてそれぞれ、画素1つにつき複数回サンプリングしかつ加算して読み出すことにより、帰還容量の容量値を切り替えなくても、サンプリングの回数によって増幅率を変えることができる。すなわち、サンプリング回数の設定によって任意の増幅率nを得ることができる。このとき、画素信号をn倍してもランダムノイズはノイズ√n倍にしかならない。 In the solid-state imaging device having the above configuration, the reset signal output from the unit pixel and the pixel signal are sampled and added multiple times for each pixel, so that the capacitance value of the feedback capacitor can be switched without switching. The amplification factor can be changed depending on the number of samplings. That is, an arbitrary amplification factor n can be obtained by setting the number of samplings. At this time, even if the pixel signal is multiplied by n, the random noise becomes only noise √n times.

本発明によれば、サンプリング回数によって任意の増幅率nを設定することにより、画素信号をn倍してランダムノイズは√n倍にしかならないため、帰還容量の容量値を切り替えるのに比べてノイズ特性S/Nを改善できるとともに、容量を分割する必要がないためにゲインばらつきを抑えて精度の高い増幅率を設定することができる。   According to the present invention, by setting an arbitrary amplification factor n depending on the number of sampling times, the pixel signal is multiplied by n and the random noise becomes only √n times. Therefore, the noise is smaller than switching the capacitance value of the feedback capacitor. The characteristic S / N can be improved, and since there is no need to divide the capacitance, gain variation can be suppressed and a highly accurate amplification factor can be set.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明が適用されるCMOSイメージセンサの構成の概略を示すブロック図である。図1から明らかなように、本適用例に係るCMOSイメージセンサは、単位画素11が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部12、垂直駆動回路13、読み出し回路(カラム信号処理回路)14、水平駆動回路15、水平信号線16および出力回路17を有する構成となっている。   FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of a CMOS image sensor to which the present invention is applied. As is clear from FIG. 1, the CMOS image sensor according to this application example includes a pixel array unit 12 in which unit pixels 11 are two-dimensionally arranged in a matrix, a vertical drive circuit 13, and a readout circuit (column signal processing circuit) 14. The horizontal drive circuit 15, the horizontal signal line 16, and the output circuit 17 are configured.

画素アレイ部12には、行列状の画素配列に対して列毎に垂直信号線18が配線されている。垂直駆動回路13は、シフトレジスタ等によって構成され、画素アレイ部12の各単位画素11を行毎に選択するなど処理を行う。読み出し回路14は、行列状の画素配列の各列毎に設けられ、各単位画素11から垂直信号線18を介して行単位で出力される画素信号に対して種々の信号処理を行う。本発明では、この読み出し回路14の構成を特徴としており、その詳細については後述する。   In the pixel array unit 12, a vertical signal line 18 is wired for each column with respect to the matrix-like pixel arrangement. The vertical drive circuit 13 includes a shift register or the like, and performs processing such as selecting each unit pixel 11 of the pixel array unit 12 for each row. The readout circuit 14 is provided for each column of the matrix-like pixel arrangement, and performs various signal processing on the pixel signals output in units of rows from the unit pixels 11 via the vertical signal lines 18. The present invention is characterized by the configuration of the readout circuit 14, and details thereof will be described later.

水平駆動回路15は、シフトレジスタ等によって構成され、水平選択パルスφH1〜φHnを順次出力することによって読み出し回路14を順番に選択し、その選択した読み出し回路14から出力される画素信号を水平信号線16に導く。水平信号線16は、読み出し回路14から順番に出力される画素信号を出力回路17に伝送する。出力回路17は、水平信号線16によって伝送される画素信号に対して種々の処理を行って出力する。一例として、出力回路17では、黒レベル調整、列バラツキ補正、信号増幅、色関係処理などが行われ、またバッファリング処理だけが行われる場合もある。   The horizontal drive circuit 15 is configured by a shift register or the like, and sequentially selects the readout circuit 14 by sequentially outputting horizontal selection pulses φH1 to φHn, and the pixel signal output from the selected readout circuit 14 is a horizontal signal line. Lead to 16. The horizontal signal line 16 transmits pixel signals sequentially output from the readout circuit 14 to the output circuit 17. The output circuit 17 performs various processes on the pixel signal transmitted through the horizontal signal line 16 and outputs the processed signal. As an example, the output circuit 17 performs black level adjustment, column variation correction, signal amplification, color-related processing, and the like, or only buffering processing may be performed.

以下に、本発明の特徴とする読み出し回路14の具体的な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、図面の簡略化のために、行方向で隣接する2つの単位画素11,11と一方の単位画素11に垂直信号線18を介して繋がる1列分の読み出し回路14のみを図示して説明するものとする。   A specific embodiment of the readout circuit 14 that characterizes the present invention will be described below. In the following description, for simplification of the drawing, only the reading circuit 14 for one column connected to the two unit pixels 11, 11 adjacent in the row direction and the one unit pixel 11 via the vertical signal line 18. Is illustrated and described.

[第1実施形態]
図2は、本発明の第1実施形態に係る読み出し回路14Aの構成を示す回路図である。図2において、単位画素11はアクティブ型の構成をとっており、光を電荷に変換する光電変換素子、例えばフォトダイオードPDと、このフォトダイオードPDに蓄積された電荷をFD(フローティングディフュージョン)に転送する転送トランジスタQ1と、FDの電荷をゲートで受けて増幅する増幅トランジスタQ2と、FDの電荷をリセットするリセットトランジスタQ3と、それらトランジスタQ1〜Q3の各ノードを制御する制御信号線L1〜L3を有する構成となっている。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the read circuit 14A according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the unit pixel 11 has an active configuration, and a photoelectric conversion element that converts light into electric charges, for example, a photodiode PD, and charges accumulated in the photodiode PD are transferred to an FD (floating diffusion). A transfer transistor Q1, an amplification transistor Q2 that receives and amplifies the charge of the FD at the gate, a reset transistor Q3 that resets the charge of the FD, and control signal lines L1 to L3 that control each node of the transistors Q1 to Q3. It is the composition which has.

この単位画素11では、制御信号線L2を介してセレクト制御信号Vsが与えられることによって選択状態となる。この選択状態において、制御信号線L3を介してリセット制御信号VrがリセットトランジスタQ3のゲートに与えられることにより、当該リセットトランジスタQ3がオン状態となってFDの電荷をリセットする。このときのFDの電位が増幅トランジスタQ2を通してリセット信号Vpとして出力される。その後、制御信号線L1を介して転送制御信号Vtが転送トランジスタQ1のゲートに与えられることにより、当該転送トランジスタQ1がオン状態となってフォトダイオードPDの電荷をFDに転送する。このときのFDの電位が増幅トランジスタQ2を通して画素信号Vdとして出力される。   The unit pixel 11 is selected by receiving a select control signal Vs through the control signal line L2. In this selected state, the reset control signal Vr is applied to the gate of the reset transistor Q3 via the control signal line L3, whereby the reset transistor Q3 is turned on and the charge of the FD is reset. The potential of the FD at this time is output as the reset signal Vp through the amplification transistor Q2. Thereafter, the transfer control signal Vt is applied to the gate of the transfer transistor Q1 via the control signal line L1, whereby the transfer transistor Q1 is turned on to transfer the charge of the photodiode PD to the FD. The potential of the FD at this time is output as the pixel signal Vd through the amplification transistor Q2.

なお、ここでは、単位画素11として、転送トランジスタQ1、増幅トランジスタQ2およびリセットトランジスタQ3の3個のトランジスタを有する構成のものを例に挙げて示したが、これにさらに増幅トランジスタQ2と垂直信号線18との間に選択トランジスタを加えた計4個のトランジスタを有する構成のものであっても良い。   In this example, the unit pixel 11 has three transistors, ie, the transfer transistor Q1, the amplification transistor Q2, and the reset transistor Q3. However, the unit pixel 11 further includes an amplification transistor Q2 and a vertical signal line. 18 may be configured to have a total of four transistors including selection transistors.

本実施形態に係る読み出し回路14Aは、垂直信号線18に一端が接続されたスイッチ(第1のスイッチ手段)21と、このスイッチ21の他端と任意の固定電位V1のノードとの間に接続されたスイッチ(第2のスイッチ手段)22と、スイッチ21の他端に入力端が接続された入力容量23と、この入力容量23の出力端に反転(−)入力端子が接続され、非反転(+)入力端子にクランプ電圧Vclpが与えられる差動増幅器24と、この差動増幅器24の反転入力端子と出力端子との間に接続されたスイッチ(第3のスイッチ手段)25と、差動増幅器24の反転入力端子と出力端子との間に直列に接続された帰還容量26およびスイッチ(第4のスイッチ手段)27とを有する構成となっている。 The readout circuit 14A according to this embodiment is connected between a switch (first switch means) 21 having one end connected to the vertical signal line 18, and the other end of the switch 21 and a node of an arbitrary fixed potential V1. Switch ( second switch means) 22, an input capacitor 23 having an input terminal connected to the other end of the switch 21, and an inverting (−) input terminal connected to the output terminal of the input capacitor 23 for non-inversion A differential amplifier 24 to which a clamp voltage Vclp is applied to the (+) input terminal, a switch ( third switch means) 25 connected between the inverting input terminal and the output terminal of the differential amplifier 24, and a differential The amplifier 24 includes a feedback capacitor 26 and a switch ( fourth switch means) 27 connected in series between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 24.

なお、読み出し回路14Aの出力端は、水平選択スイッチ19を介して水平信号線16(図1を参照)に接続される。水平選択スイッチ19は、水平駆動回路15から順次出力される水平選択パルスφH1〜φHnによってオン(閉)/オフ(開)駆動される。   The output terminal of the readout circuit 14A is connected to the horizontal signal line 16 (see FIG. 1) via the horizontal selection switch 19. The horizontal selection switch 19 is driven on (closed) / off (open) by horizontal selection pulses φH1 to φHn sequentially output from the horizontal drive circuit 15.

図8に示した従来の技術では、帰還容量を複数に分割し、入力容量と帰還容量の容量比を調節することにより、画素信号を増幅するようにしていた。この場合、読み出し回路に入力されるランダムノイズをVninとすると、読み出し回路から出力されるランダムノイズVnoutは、
Vnout=(Ci/Cf)*Vnin
となり、入力容量と帰還容量の容量比で増幅されてしまう。
In the conventional technique shown in FIG. 8, the feedback capacitor is divided into a plurality of parts, and the pixel signal is amplified by adjusting the capacitance ratio between the input capacitor and the feedback capacitor. In this case, if the random noise input to the read circuit is Vnin, the random noise Vnout output from the read circuit is
Vnout = (Ci / Cf) * Vnin
Thus, the signal is amplified by the capacitance ratio of the input capacitance and the feedback capacitance.

これに対して、本実施形態に係る読み出し回路14Aでは、帰還容量26の容量値を固定とし、入力容量23と帰還容量26との容量比を調節するのではなく、単位画素11から出力される信号をサンプリングする回数によって画素信号に対する増幅率を設定することにより、ランダムノイズVnoutを従来技術の場合よりも抑圧することを可能にしている。この読み出し回路14の読み出し動作について、図3のタイミングチャートを用いて説明する。   On the other hand, in the readout circuit 14A according to the present embodiment, the capacitance value of the feedback capacitor 26 is fixed and the capacitance ratio between the input capacitor 23 and the feedback capacitor 26 is not adjusted, but is output from the unit pixel 11. By setting the amplification factor for the pixel signal according to the number of times the signal is sampled, the random noise Vnout can be suppressed more than in the case of the prior art. The read operation of the read circuit 14 will be described with reference to the timing chart of FIG.

図3は、水平ブランキング期間におけるタイミング関係を示している。図3において、t2はリセット信号読出し期間、t3は画素信号読出し期間となる。また、この駆動においては、入力容量23の容量値C1と帰還容量26の容量値C2を同じ値としたとき2倍の画素信号を得られる。   FIG. 3 shows the timing relationship in the horizontal blanking period. In FIG. 3, t2 is a reset signal readout period, and t3 is a pixel signal readout period. In this driving, when the capacitance value C1 of the input capacitor 23 and the capacitance value C2 of the feedback capacitor 26 are set to the same value, a double pixel signal can be obtained.

はじめに、読み出し回路14の読み出し動作について簡単に説明すると、先ずリセット信号読出し期間t2において、リセット信号Vpを複数回、例えば2回サンプルホールドしかつ加算して保持し、次いで画素信号読出し期間t3において画素信号Vdを2回サンプルホールドする。そして、前期間に読み出した2倍のリセット信号2Vpから画素信号Vdを2回引くことで2(Vp−Vd)、即ちCDS処理を実現する。ただし、リセット信号Vpおよび画素信号Vdをスイッチ21のサンプリング動作によってサンプリングする回数は2回に限られるものではない。以下に、読み出し回路14におけるその詳しい読み出し動作について説明する。   First, the readout operation of the readout circuit 14 will be briefly described. First, in the reset signal readout period t2, the reset signal Vp is sampled and held a plurality of times, for example, twice, and added and held, and then in the pixel signal readout period t3 Sample and hold the signal Vd twice. Then, 2 (Vp−Vd), that is, CDS processing is realized by subtracting the pixel signal Vd twice from the double reset signal 2Vp read during the previous period. However, the number of times the reset signal Vp and the pixel signal Vd are sampled by the sampling operation of the switch 21 is not limited to two. Hereinafter, the detailed read operation in the read circuit 14 will be described.

はじめ期間A中に、スイッチ22,25,27がオンする。このとき、帰還容量26の両端電位はクランプ電圧Vclpとなり、帰還容量26に蓄積されていた電荷がゼロに初期化される。次に、リセット信号読出し期間t2における期間B中に、リセット制御信号Vrが立ち上がり、画素11のFDをリセットする。同時に、スイッチ21,25がオンする。これにより、入力容量23の両端には画素11からのリセット信号Vpとクランプ電圧Vclpが加わり、C1・(Vp−Vclp)の電荷が入力容量23にサンプルホ−ルドされる。   First, during the period A, the switches 22, 25 and 27 are turned on. At this time, the potential across the feedback capacitor 26 becomes the clamp voltage Vclp, and the charge accumulated in the feedback capacitor 26 is initialized to zero. Next, during the period B in the reset signal readout period t2, the reset control signal Vr rises to reset the FD of the pixel 11. At the same time, the switches 21 and 25 are turned on. As a result, the reset signal Vp and the clamp voltage Vclp from the pixel 11 are applied to both ends of the input capacitor 23, and the charge of C 1 · (Vp−Vclp) is sampled and held in the input capacitor 23.

次に、期間Cでスイッチ21,25がオフし22,27がオンする。このとき、差動増幅器24には帰還容量26を通して負帰還がかかるため、ノードNの電位(差動増幅器24の反転入力端子電位)はクランプ電圧Vclpとなる。これにより、入力容量23の電荷はC1・(V1−Vclp)に変動し、この変動電荷C1・(Vp−V1)が帰還容量26にサンプルホ−ルドされる。このとき、差動増幅器24の出力V3はVclp+(Vp−V1)・C1/C2となる。   Next, in the period C, the switches 21 and 25 are turned off and the switches 22 and 27 are turned on. At this time, since negative feedback is applied to the differential amplifier 24 through the feedback capacitor 26, the potential of the node N (the inverting input terminal potential of the differential amplifier 24) becomes the clamp voltage Vclp. As a result, the charge of the input capacitor 23 changes to C1 · (V1−Vclp), and the changed charge C1 · (Vp−V1) is sampled and held in the feedback capacitor 26. At this time, the output V3 of the differential amplifier 24 becomes Vclp + (Vp−V1) · C1 / C2.

さらに、期間Dでスイッチ22,27がオフし、スイッチ21,25がオンする。ここでまた入力容量23の両端には画素11からのリセット信号Vpとクランプ電圧Vclpが加わり、電荷C1・(Vp−Vclp)が入力容量23にサンプルホ−ルドされる。このとき、スイッチ27がオフしているため、帰還容量26には上記変動電荷C1・(Vp−V1)が保持されたままである。   Further, in the period D, the switches 22 and 27 are turned off and the switches 21 and 25 are turned on. Here, the reset signal Vp and the clamp voltage Vclp from the pixel 11 are applied to both ends of the input capacitor 23, and the charge C 1 · (Vp−Vclp) is sampled and held in the input capacitor 23. At this time, since the switch 27 is turned off, the feedback capacitor 26 still holds the variable charge C1 · (Vp−V1).

次に、期間Eでスイッチ21,25がオフし、スイッチ22,27がオンする。このとき、差動増幅器24には帰還容量26を通して負帰還がかかることから、当該帰還容量26には先ほど保持した電荷C1・(Vp−V1)に加えて、新たに電荷C1・(Vp−V1)が加算されることになるため、2・C1・(Vp−V1)の電荷が蓄積される。したがって、差動増幅器24の出力V3は、Vclp+2・(Vp−V1)・C1/C2となる。期間Fでは、スイッチ21,27がオフし、スイッチ22,25がオンする。このとき、C1・(V1−Vclp)の電荷が入力容量23にサンプルホ−ルドされる。   Next, in the period E, the switches 21 and 25 are turned off and the switches 22 and 27 are turned on. At this time, since negative feedback is applied to the differential amplifier 24 through the feedback capacitor 26, the charge C 1 · (Vp−V 1) is newly added to the feedback capacitor 26 in addition to the charge C 1 · (Vp−V 1) previously held. ) Are added, the charge of 2 · C1 · (Vp−V1) is accumulated. Therefore, the output V3 of the differential amplifier 24 is Vclp + 2 · (Vp−V1) · C1 / C2. In the period F, the switches 21 and 27 are turned off and the switches 22 and 25 are turned on. At this time, the charge of C1 · (V1−Vclp) is sampled and held in the input capacitor 23.

次に、画素信号読出し期間t3のはじめの期間Gに転送制御信号Vtが立ち上がり、増幅トランジスタQ2を介して画素信号Vdが垂直信号線18に読み出される。このとき、スイッチ21,27がオンし、スイッチ22,25がオフすることで、入力容量23の電荷はC1・(Vd−Vclp)となり、変動電荷−C1・(Vd−V1)が新たに帰還容量26に加算される。これにより、差動増幅器24の出力V3は、先ほどの出力電圧から−(Vd−V1)・C1/C2分だけ電圧が変化する。   Next, the transfer control signal Vt rises in the first period G of the pixel signal readout period t3, and the pixel signal Vd is read out to the vertical signal line 18 via the amplification transistor Q2. At this time, when the switches 21 and 27 are turned on and the switches 22 and 25 are turned off, the charge of the input capacitor 23 becomes C1 · (Vd−Vclp), and the variable charge −C1 · (Vd−V1) is newly fed back. It is added to the capacity 26. As a result, the output V3 of the differential amplifier 24 changes in voltage by − (Vd−V1) · C1 / C2 from the previous output voltage.

さらに、次の期間Hでまたスイッチ21,27がオフし、スイッチ22,25がオンすることで、C1・(V1−Vclp)の電荷が入力容量23にサンプルホ−ルドされ、次の期間Iでスイッチ21,27がオンし、スイッチ22,25がオフすることで、帰還容量26に電荷−C1・(Vd−V1)が新たに加算される。したがって、差動増幅器24の出力V3は、先ほどの出力電圧からまたさらに−(Vd−V1)・C1/C2分だけ電圧が変化する。   Further, in the next period H, the switches 21 and 27 are turned off and the switches 22 and 25 are turned on, whereby the charge of C1 · (V1−Vclp) is sampled and held in the input capacitor 23, and the next period I Thus, when the switches 21 and 27 are turned on and the switches 22 and 25 are turned off, the charge −C1 · (Vd−V1) is newly added to the feedback capacitor 26. Therefore, the voltage of the output V3 of the differential amplifier 24 changes by − (Vd−V1) · C1 / C2 from the previous output voltage.

最終的に、帰還容量26に蓄積された電荷は、2・C1・(Vp−V1)−2・C1・(Vd−V1)=2・C1・(Vd−Vd)となり、差動増幅器24の出力V3はVclp+2・(Vp−Vd)・C1/C2となる。したがって、C1=C2のときに読み出されるリセットノイズの除去された画素信号(Vd−Vp)は2倍されて、クランプ電圧Vclpを基準に反転して出力されることになる。   Eventually, the charge accumulated in the feedback capacitor 26 becomes 2 · C1 · (Vp−V1) −2 · C1 · (Vd−V1) = 2 · C1 · (Vd−Vd). The output V3 is Vclp + 2 · (Vp−Vd) · C1 / C2. Therefore, the pixel signal (Vd−Vp) from which the reset noise is read out when C1 = C2 is doubled and output with the clamp voltage Vclp as a reference.

ここで、このとき出力されるランダムノイズVnoutに着目すると、入力されるランダムノイズVninを2回サンプルホ−ルドして足し合わせているため、ノイズの分散が2倍となり、出力されるランダムノイズVnoutは√(2・Vnin)となる。したがって、リセットノイズの除去された画素信号は2倍されても、ランダムノイズは√2倍にしかならないためノイズ特性S/Nを改善することができる。   Here, paying attention to the random noise Vnout output at this time, since the input random noise Vnin is sampled and added twice, the variance of the noise is doubled and the output random noise Vnout. Becomes √ (2 · Vnin). Therefore, even if the pixel signal from which the reset noise is removed is doubled, the random noise is only √2 times, so that the noise characteristic S / N can be improved.

さらに、画素信号を3倍にするには、期間Eと期間Fの間に期間Dと期間Eの動作を繰り返し、期間Iと期間Jの間に期間Hと期間Iの動作を繰り返し、リセット信号を3回サンプルホ−ルドして加算し、画素信号を3回引いて両者の差分値をとることで、3倍のリセットノイズの除去された画素信号3(Vd−Vp)を得ることができる。4倍、5倍も同様の動作を繰り返すことで得られる。逆に、期間D,Eと期間H,Iを飛ばすことによって1倍の増幅率を実現できる。このときのタイミングチャートを図4に示す。   Further, in order to triple the pixel signal, the operations of the periods D and E are repeated between the periods E and F, the operations of the periods H and I are repeated between the periods I and J, and the reset signal 3 are sampled and added, and the pixel signal 3 is subtracted three times to obtain the difference value between them, thereby obtaining a pixel signal 3 (Vd−Vp) from which reset noise of 3 times is removed. . 4 times and 5 times can be obtained by repeating the same operation. Conversely, by skipping the periods D and E and the periods H and I, a gain of 1 can be realized. A timing chart at this time is shown in FIG.

上述したことから明らかなように、本実施形態に係る読み出し回路14Aを用いて、リセット信号Vpおよび画素信号Vdについてそれぞれ複数回ずつサンプリングしかつ加算する処理を行うことにより、サンプリングの回数によって任意の増幅率を得ることができる。また、画素信号Vdをn倍してもランダムノイズは√n倍にしかならないため、従来技術のように帰還容量の容量値を調節して増幅率を設定する場合よりもノイズ特性S/Nを改善することができる。さらに、帰還容量26の容量値が固定であり、任意の増幅率を得るために帰還容量26を分割して入力容量23との容量比を調節する必要がないため、帰還容量26の容量ばらつきを抑えることができる。したがって、増幅率ばらつきを抑圧することができるため、より精度の高い増幅率を設定することができる。   As is clear from the above description, by using the readout circuit 14A according to the present embodiment, the reset signal Vp and the pixel signal Vd are sampled and added multiple times respectively, so that any number of samplings can be obtained. An amplification factor can be obtained. Further, even if the pixel signal Vd is multiplied by n, the random noise is only √n times, so that the noise characteristic S / N is set more than when the amplification factor is set by adjusting the capacitance value of the feedback capacitor as in the prior art. Can be improved. Furthermore, the capacitance value of the feedback capacitor 26 is fixed, and it is not necessary to divide the feedback capacitor 26 and adjust the capacitance ratio with the input capacitor 23 in order to obtain an arbitrary amplification factor. Can be suppressed. Therefore, variation in amplification factor can be suppressed, and a higher accuracy amplification factor can be set.

また、本実施形態に係る読み出し回路14Aでは、入力容量23の垂直信号線18側の端子(入力端)を、スイッチ22を介して選択的に任意の固定電位V1のノードに接続することで、画素信号Vdを増幅する処理と並行してCDS処理を行うことができる。ここで、任意の固定電位V1としては、単位画素11からリセット動作時に出力されるリセット信号Vpのレベルに近い値に設定するのが望ましい。   In the readout circuit 14A according to the present embodiment, the terminal (input end) on the vertical signal line 18 side of the input capacitor 23 is selectively connected to a node of an arbitrary fixed potential V1 via the switch 22. The CDS process can be performed in parallel with the process of amplifying the pixel signal Vd. Here, the arbitrary fixed potential V1 is desirably set to a value close to the level of the reset signal Vp output from the unit pixel 11 during the reset operation.

何故ならば、リセット信号Vpを読み出す際に、リセット信号Vpと固定電位V1との差分をサンプリング回数だけ帰還容量26に保持しておき、しかる後画素信号Vdを読み出す際に、帰還容量26において画素信号Vdとの差分をとる処理(CDS処理)を行うことになるが、固定電位V1の値がリセット信号Vpのレベルに近い方が、リセット信号Vpと固定電位V1との差分が小さくなり、リセット信号Vpを読み出す際に帰還容量26に保持する電荷量が少なくて済むため、差動増幅器24の限られたダイナミックレンジ内においてより確実にCDS処理を実現できるからである。   This is because when the reset signal Vp is read, the difference between the reset signal Vp and the fixed potential V1 is held in the feedback capacitor 26 as many times as the number of samplings, and then when the pixel signal Vd is read, A process for obtaining a difference from the signal Vd (CDS process) is performed, but the difference between the reset signal Vp and the fixed potential V1 becomes smaller when the value of the fixed potential V1 is closer to the level of the reset signal Vp. This is because the amount of electric charge held in the feedback capacitor 26 when reading the signal Vp is small, so that the CDS process can be realized more reliably within the limited dynamic range of the differential amplifier 24.

[第2実施形態]
図5は、本発明の第2実施形態に係る読み出し回路14Bの構成を示す回路図であり、図中、図2と同等部分には同一符号を付して示している。本実施形態においても、単位画素11は、転送トランジスタQ1、増幅トランジスタQ2およびリセットトランジスタQ3を有するアクティブ型の構成をとっている。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a read circuit 14B according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same parts as those in FIG. Also in this embodiment, the unit pixel 11 has an active configuration including the transfer transistor Q1, the amplification transistor Q2, and the reset transistor Q3.

本実施形態に係る読み出し回路14Bは、垂直信号線18に一端が接続されたスイッチ(第1のスイッチ手段)31と、このスイッチ31の他端と任意の電位V1のノードとの間に接続されたスイッチ(第2のスイッチ手段)32と、スイッチ31の他端に入力端が接続された入力容量33と、この入力容量33の出力端に入力端子が接続されたシングルエンドの反転増幅器34と、この反転増幅器34の入力端子と出力端子との間に接続されたスイッチ(第4のスイッチ手段)35と、反転増幅器34の入力端子と出力端子との間に直列に接続された帰還容量36およびスイッチ(第3のスイッチ手段)37と、帰還容量36およびスイッチ37の共通接続ノードとクランプ電圧Vclpのノードとの間に接続されたスイッチ(第5のスイッチ手段)38とを有する構成となっている。 The readout circuit 14B according to the present embodiment is connected between a switch (first switch means) 31 having one end connected to the vertical signal line 18, and the other end of the switch 31 and a node of an arbitrary potential V1. A switch ( second switch means) 32, an input capacitor 33 having an input terminal connected to the other end of the switch 31, a single-ended inverting amplifier 34 having an input terminal connected to the output terminal of the input capacitor 33, A switch ( fourth switch means) 35 connected between the input terminal and the output terminal of the inverting amplifier 34, and a feedback capacitor 36 connected in series between the input terminal and the output terminal of the inverting amplifier 34. and the switch (third switch means) 37, a switch connected between the common connection node and the clamping voltage Vclp node of the feedback capacitor 36 and a switch 37 (fifth Sui It has a configuration having a switch means) 38.

上述した構成から明らかなように、本実施形態に係る読み出し回路14Bは、第1実施形態に係る読み出し回路14Aの差動増幅器24に代えてシングルエンドの反転増幅器34を用いた構成となっている。この読み出し回路14Bは、画素アレイ部12の列毎に配置されることから、差動増幅器24よりも回路構成がより簡単なシングルエンドの反転増幅器34を用いることにより、チップ(chip)面積を縮小できるメリットがある。   As is clear from the configuration described above, the read circuit 14B according to the present embodiment has a configuration using a single-ended inverting amplifier 34 instead of the differential amplifier 24 of the read circuit 14A according to the first embodiment. . Since the readout circuit 14B is arranged for each column of the pixel array unit 12, the chip area is reduced by using a single-ended inverting amplifier 34 having a simpler circuit configuration than the differential amplifier 24. There is a merit that can be done.

次に、上記構成の本実施形態に係る読み出し回路14Bの動作について、図6タイミングチャートを用いて説明する。なお、ここでは、入力容量33の容量値をC1、帰還容量36の容量値をC2とする。   Next, the operation of the readout circuit 14B according to the present embodiment having the above configuration will be described with reference to the timing chart of FIG. Here, the capacitance value of the input capacitor 33 is C1, and the capacitance value of the feedback capacitor 36 is C2.

はじめに、期間A中でスイッチ32,35,38がオンする。このとき、反転増幅器34の入出力端子間がスイッチ35によって短絡されることにより、図7に示すように、入出力端子の電圧は反転増幅器34のロジカルスレッショルド電圧Vlthとなる。したがって、入力容量33の両端の電位がクランプ電圧Vclpとロジカルスレッショルド電圧Vlthとなり、反転増幅器34の入力端子の電位がロジカルスレッショルド電圧Vlthのとき出力端子の電位がクランプ電圧Vclpとなる初期電荷Q0が帰還容量26に蓄積される。   First, the switches 32, 35, and 38 are turned on during the period A. At this time, the input / output terminals of the inverting amplifier 34 are short-circuited by the switch 35, so that the voltage at the input / output terminals becomes the logical threshold voltage Vlth of the inverting amplifier 34 as shown in FIG. Therefore, the potential at both ends of the input capacitor 33 becomes the clamp voltage Vclp and the logical threshold voltage Vlth, and when the potential at the input terminal of the inverting amplifier 34 is the logical threshold voltage Vlth, the initial charge Q0 whose potential at the output terminal becomes the clamp voltage Vclp is fed back. Accumulated in the capacitor 26.

次に、リセット信号読出し期間t2における期間B中にリセット信号Vrが立ち上がることで、リセットトランジスタQ3がオン状態となって画素11のFDをリセットする。同時にスイッチ31,35がオンすることで、入力容量33の両端には画素11からのリセット信号Vpとロジカルスレッショルド電圧Vlthが加わり、C1・(Vp−Vlth)の電荷が入力容量33にサンプルホ−ルドされる。   Next, the reset signal Vr rises during the period B in the reset signal readout period t2, so that the reset transistor Q3 is turned on and the FD of the pixel 11 is reset. At the same time, when the switches 31 and 35 are turned on, the reset signal Vp and the logical threshold voltage Vlth from the pixel 11 are applied to both ends of the input capacitor 33, and the charge of C 1 · (Vp−Vlth) is input to the input capacitor 33. Be

次に、期間Cでスイッチ31,35がオフし、スイッチ32,37がオンする。このとき、反転増幅器34には帰還容量36を通して負帰還がかかり、ノ−ドVの電位(反転増幅器34の入力端子電位)の変動は、反転増幅器34のゲイン分の1に抑圧されてほぼVlthとなる。これにより、入力容量33の電荷はC1・(V1−Vlth)に変動し、この変動電荷C1・(Vp−V1)が帰還容量26に新たに加算される。このとき、反転増幅器34の出力V3はVclp+(Vp−V1)・C1/C2となる。   Next, in a period C, the switches 31 and 35 are turned off, and the switches 32 and 37 are turned on. At this time, negative feedback is applied to the inverting amplifier 34 through the feedback capacitor 36, and the fluctuation of the potential of the node V (the input terminal potential of the inverting amplifier 34) is suppressed to 1 / gain of the inverting amplifier 34 and is approximately Vlth. It becomes. As a result, the charge of the input capacitor 33 changes to C1 · (V1−Vlth), and the changed charge C1 · (Vp−V1) is newly added to the feedback capacitor 26. At this time, the output V3 of the inverting amplifier 34 becomes Vclp + (Vp−V1) · C1 / C2.

さらに、期間Dでスイッチ32,37がオフし、スイッチ31,35がオンする。ここでまた入力容量33の両端には画素11からのリセット信号Vpとロジカルスレッショルド電圧Vlthが加わり、電荷C1・(Vp−Vlth)が入力容量33にサンプルホ−ルドされる。   Further, in the period D, the switches 32 and 37 are turned off and the switches 31 and 35 are turned on. Here, the reset signal Vp from the pixel 11 and the logical threshold voltage Vlth are applied to both ends of the input capacitor 33, and the charge C 1 · (Vp−Vlth) is sampled and held in the input capacitor 33.

期間Eではスイッチ31,35がオフし、スイッチ32,37がオンする。このとき、差動増幅器24には帰還容量36を通して負帰還がかかることから、入力容量33には先ほど保持した電荷に加えて、新たに電荷C1・(Vp−V1)が加算されることになるため、2・C1・(Vp−V1)の電荷が初期電荷Q0に加えて蓄積される。したがって、反転増幅器34の出力V3は、Vclp+2・(Vp−V1)・C1/C2となる。期間Fでは、スイッチ31,37がオフし、スイッチ32,35がオンする。このとき、C1・(V1−Vlth)の電荷が入力容量33にサンプルホ−ルドされる。   In the period E, the switches 31 and 35 are turned off and the switches 32 and 37 are turned on. At this time, since negative feedback is applied to the differential amplifier 24 through the feedback capacitor 36, the charge C1 · (Vp−V1) is newly added to the input capacitor 33 in addition to the charge previously held. Therefore, charges of 2 · C1 · (Vp−V1) are accumulated in addition to the initial charge Q0. Therefore, the output V3 of the inverting amplifier 34 is Vclp + 2 · (Vp−V1) · C1 / C2. In the period F, the switches 31 and 37 are turned off and the switches 32 and 35 are turned on. At this time, the charge of C1 · (V1−Vlth) is sampled and held in the input capacitor 33.

次に、画素信号読出し期間t3のはじめの期間Gに転送制御信号Vtが立ち上がり、画素11の増幅トランジスタQ2を介して画素信号Vdが垂直信号線18に読み出される。このとき、スイッチ31,37がオンし、スイッチ32,35がオフすることで、入力容量33の電荷は、C1・(Vd−Vlth)に変動し、この変動電荷−C1・(Vd−V1)が新たに帰還容量26に加算される。このとき、反転増幅器34の出力V3は、先ほどの出力電圧から−(Vd−V1)・C1/C2分だけ電圧が変化する。   Next, the transfer control signal Vt rises in the first period G of the pixel signal readout period t3, and the pixel signal Vd is read out to the vertical signal line 18 through the amplification transistor Q2 of the pixel 11. At this time, when the switches 31 and 37 are turned on and the switches 32 and 35 are turned off, the charge of the input capacitor 33 changes to C1 · (Vd−Vlth), and this changed charge −C1 · (Vd−V1). Is newly added to the feedback capacitor 26. At this time, the output V3 of the inverting amplifier 34 changes in voltage by − (Vd−V1) · C1 / C2 from the previous output voltage.

さらに、次の期間Hでまたスイッチ31,37がオフし、スイッチ32,35をオンすることで、C1・(V1−Vlth)の電荷が入力容量33にサンプルホ−ルドされ、次の期間Iスイッチ31,37がオンし、スイッチ32,35がオフすることで、帰還容量36に電荷−C1・(Vd−V1)が新たに加算される。したがって、反転増幅器34の出力V3は、先ほどの出力電圧からまたさらに−(Vd−V1)・C1/C2分だけ電圧が変化する。   Further, in the next period H, the switches 31 and 37 are turned off and the switches 32 and 35 are turned on, whereby the charge of C1 · (V1−Vlth) is sampled and held in the input capacitor 33, and the next period I When the switches 31 and 37 are turned on and the switches 32 and 35 are turned off, the charge −C1 · (Vd−V1) is newly added to the feedback capacitor 36. Therefore, the voltage of the output V3 of the inverting amplifier 34 changes by-(Vd-V1) · C1 / C2 from the previous output voltage.

最終的に、帰還容量36に蓄積された電荷は、2・C1(Vp−V1)−2・C1・(Vd−V1)=2・C1・(Vd−Vd)となる。これにより、反転増幅器34の出力V3は、Vclp+2・(Vp−Vd)・C1/C2となる。したがって、差動増幅器24を用いた第1実施形態に係る読み出し回路14Aの場合と同様に、C1=C2のときに読み出されるリセットノイズの除去された画素信号(Vd−Vp)は2倍されてクランプ電圧Vclpを基準に反転して出力されることになる。   Finally, the electric charge accumulated in the feedback capacitor 36 becomes 2 · C1 (Vp−V1) −2 · C1 · (Vd−V1) = 2 · C1 · (Vd−Vd). As a result, the output V3 of the inverting amplifier 34 becomes Vclp + 2 · (Vp−Vd) · C1 / C2. Accordingly, as in the case of the readout circuit 14A according to the first embodiment using the differential amplifier 24, the pixel signal (Vd−Vp) from which the reset noise is read out when C1 = C2 is removed is doubled. The output is inverted with respect to the clamp voltage Vclp.

また、第2実施形態に係る読み出し回路14Bによって得られる効果についても、第1実施形態に係る読み出し回路14Aによって得られる効果と同様である。すなわち、画素信号をn倍してもランダムノイズは√n倍にしかならないため、従来技術の帰還容量の値を調節して増幅する場合よりもノイズ特性S/Nを改善することができる。さらに、帰還容量36を分割して入力容量33との容量比を調節する構成を採っていないことから、帰還容量36の容量ばらつきを抑えることができるため、増幅率のばらつきを抑圧することができる。   The effects obtained by the read circuit 14B according to the second embodiment are the same as the effects obtained by the read circuit 14A according to the first embodiment. That is, even if the pixel signal is multiplied by n, the random noise becomes only √n times, so that the noise characteristic S / N can be improved as compared with the case of amplifying by adjusting the value of the feedback capacitance of the prior art. Furthermore, since the feedback capacitor 36 is not divided to adjust the capacitance ratio with the input capacitor 33, variation in the feedback capacitor 36 can be suppressed, and thus variation in amplification factor can be suppressed. .

なお、上記各実施形態では、読み出し回路14A/14Bにおいて画素信号Vdの増幅処理のみならず、当該画素信号Vdからリセット信号Vrを引くことによって固定パターンノイズを除去するCDS処理をも並行して行う場合の読み出し動作を例に挙げて説明したが、読み出し回路14A/14BでCDS処理を並行して行うことは必須ではない。すなわち、CDS処理については、後段の信号処理回路、例えば出力回路17において、先に増幅されて読み出されたリセット信号Vrを保持しておき、その後に増幅されて読み出される画素信号Vdからリセット信号Vrを引く処理を行うことによって実現することも可能である。   In each of the above embodiments, not only the amplification process of the pixel signal Vd but also the CDS process for removing the fixed pattern noise by subtracting the reset signal Vr from the pixel signal Vd is performed in parallel in the readout circuits 14A / 14B. Although the read operation in this case has been described as an example, it is not essential to perform the CDS processing in parallel in the read circuits 14A / 14B. That is, with respect to the CDS processing, the signal processing circuit in the subsequent stage, for example, the output circuit 17 holds the reset signal Vr that has been amplified and read, and then resets the reset signal from the pixel signal Vd that has been amplified and read. It can also be realized by performing a process of subtracting Vr.

また、上記各実施形態では、単位画素11の各々の画素情報を垂直信号線18を介して出力し、読み出し回路14A/14Bで増幅して出力した後、水平走査にて順次出力する構成の固体撮像装置に適用した場合を例に挙げたが、この本発明は適用例に限られるものではなく、例えば基本的に増幅トランジスタを持たず、光電変換素子のみを含む単位画素から読み出される電荷を垂直転送部(CCD;Charge Coupled Device)で転送し、当該垂直転送部ごとに設けられた電荷検出部で電気信号に変換し、読み出し回路14A/14Bで増幅して出力した後、水平走査にて順次出力する構成の固体撮像装置にも同様に適用可能である。   Further, in each of the above embodiments, the pixel information of each unit pixel 11 is output via the vertical signal line 18, amplified by the readout circuits 14A / 14B, output, and then sequentially output in horizontal scanning. Although the case where the present invention is applied to an image pickup apparatus has been described as an example, the present invention is not limited to the application example. For example, the charge read out from a unit pixel that basically has no amplification transistor and includes only a photoelectric conversion element is vertical. Transfer is performed by a transfer unit (CCD; Charge Coupled Device), converted into an electric signal by a charge detection unit provided for each vertical transfer unit, amplified by a readout circuit 14A / 14B, output, and then sequentially scanned in a horizontal scan. The present invention can be similarly applied to a solid-state imaging device configured to output.

上記各実施形態に係る読み出し回路14A,14Bを画素アレイ部の列毎に配置してなる固体撮像装置は、デジタルスチルカメラなどの撮像装置において、その撮像デバイスとして用いて好適なものである。   The solid-state imaging device in which the readout circuits 14A and 14B according to each of the above embodiments are arranged for each column of the pixel array unit is suitable for use as an imaging device in an imaging device such as a digital still camera.

本発明が適用されるCMOSイメージセンサの構成の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of a structure of the CMOS image sensor to which this invention is applied. 本発明の第1実施形態に係る読み出し回路の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a readout circuit according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態に係る読み出し回路における読み出し動作の説明のためのタイミングチャートである。4 is a timing chart for explaining a read operation in the read circuit according to the first embodiment. 第1実施形態の変形例に係る読み出し動作の説明のためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining a read operation according to a modification of the first embodiment. 本発明の第2実施形態に係る読み出し回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the read-out circuit which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態に係る読み出し回路における読み出し動作の説明のためのタイミングチャートである。10 is a timing chart for explaining a read operation in the read circuit according to the second embodiment. 入出力端子間短絡時の反転増幅器の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the inverting amplifier when the input / output terminals are short-circuited. 従来例1に係る読み出し回路の構成を示す回路図である。10 is a circuit diagram illustrating a configuration of a read circuit according to Conventional Example 1. FIG. アクティブ型の画素の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing a configuration of an active pixel. 従来例2に係る読み出し回路の構成を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration of a read circuit according to Conventional Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

11…単位画素、12…画素アレイ部、13…垂直駆動回路、14,14A,14B…読み出し回路、15…水平駆動回路、16…水平信号線、18…垂直信号線、19…水平選択スイッチ、23,33…入力容量、24…差動増幅器、26,36…帰還容量、34…シングルエンドの反転増幅器、Q1…転送トランジスタ、Q2…増幅トランジスタ、Q3…リセットトランジスタ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Unit pixel, 12 ... Pixel array part, 13 ... Vertical drive circuit, 14, 14A, 14B ... Read-out circuit, 15 ... Horizontal drive circuit, 16 ... Horizontal signal line, 18 ... Vertical signal line, 19 ... Horizontal selection switch, 23, 33 ... Input capacitance, 24 ... Differential amplifier, 26,36 ... Feedback capacitance, 34 ... Single-ended inverting amplifier, Q1 ... Transfer transistor, Q2 ... Amplification transistor, Q3 ... Reset transistor

Claims (9)

光電変換素子を含み、リセット時のリセット信号と前記光電変換素子で光電変換された電荷に応じた画素信号とを出力する単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記単位画素の行列状配列に対して列毎に配置され読み出し回路とを備え
前記読み出し回路は、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、
前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、
反転入力端子が前記入力容量の出力端に接続され、非反転入力端子にクランプ電圧が与えられる差動増幅器と、
前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、
前記差動増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された第3のスイッチ手段と、
一端が前記差動増幅器の反転入力端子に接続された帰還容量と、
一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記差動増幅器の出力端子に接続された第4のスイッチ手段とを有し、
前記リセット信号および前記画素信号についてそれぞれ前記第1のスイッチ手段によって前記単位画素の1つにつき複数回ずつサンプリングしかつ前記入力容量を介して前記差動増幅器の反転入力端子に入力し、当該複数回サンプリングした前記リセット信号と前記画素信号とを前記帰還容量で加算する
固体撮像装置。
A pixel array unit including a photoelectric conversion element, and unit pixels that output a reset signal at the time of resetting and a pixel signal corresponding to a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged in a matrix;
A readout circuit arranged for each column with respect to the matrix arrangement of the unit pixels ,
The readout circuit is
First switch means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel;
An input capacitor having an input end connected to the output side of the first switch means;
A differential amplifier in which an inverting input terminal is connected to an output terminal of the input capacitor, and a clamp voltage is applied to a non-inverting input terminal;
Second switch means for selectively connecting an input terminal of the input capacitor to a node of a fixed potential;
Third switch means connected between an inverting input terminal and an output terminal of the differential amplifier;
A feedback capacitor having one end connected to the inverting input terminal of the differential amplifier;
A fourth switch means having one end connected to the other end of the feedback capacitor and the other end connected to the output terminal of the differential amplifier;
The reset signal and the pixel signal are sampled a plurality of times per one of the unit pixels by the first switch means, and input to the inverting input terminal of the differential amplifier via the input capacitor. A solid-state imaging device that adds the sampled reset signal and the pixel signal by the feedback capacitance .
光電変換素子を含み、リセット時のリセット信号と前記光電変換素子で光電変換された電荷に応じた画素信号とを出力する単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記単位画素の行列状配列に対して列毎に配置された読み出し回路とを備え、
前記読み出し回路は、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、
前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、
入力端子が前記入力容量の出力端に接続されたシングルエンドの反転増幅器と、
前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、
一端が前記反転増幅器の入力端子に接続された帰還容量と、
一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記反転増幅器の出力端子に接続された第3のスイッチ手段と、
前記反転増幅器の入力端子と出力端子との間に接続された第4のスイッチ手段と、
前記帰還容量と前記第3のスイッチ手段との共通接続ノードにクランプ電圧を与える第5のスイッチ手段とを有し、
前記リセット信号および前記画素信号についてそれぞれ前記第1のスイッチ手段によって前記単位画素の1つにつき複数回ずつサンプリングしかつ前記入力容量を介して前記反転増幅器の入力端子に入力し、当該複数回サンプリングした前記リセット信号と前記画素信号とを前記帰還容量で加算する
固体撮像装置。
A pixel array unit including a photoelectric conversion element, and unit pixels that output a reset signal at the time of resetting and a pixel signal corresponding to a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged in a matrix;
A readout circuit arranged for each column with respect to the matrix arrangement of the unit pixels,
The readout circuit is
First switch means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel;
An input capacitor having an input end connected to the output side of the first switch means;
A single-ended inverting amplifier having an input terminal connected to the output terminal of the input capacitor;
Second switch means for selectively connecting an input terminal of the input capacitor to a node of a fixed potential;
A feedback capacitor having one end connected to the input terminal of the inverting amplifier;
Third switch means having one end connected to the other end of the feedback capacitor and the other end connected to the output terminal of the inverting amplifier;
A fourth switch means connected between an input terminal and an output terminal of the inverting amplifier;
Fifth switch means for applying a clamp voltage to a common connection node between the feedback capacitor and the third switch means;
The reset signal and the pixel signal are sampled multiple times per one of the unit pixels by the first switch means, and input to the input terminal of the inverting amplifier via the input capacitor, and sampled multiple times. A solid-state imaging device that adds the reset signal and the pixel signal by the feedback capacitor.
前記読み出し回路は、前記リセット信号と前記画素信号とを加算する処理と、前記画素信号から前記リセット信号を引く処理とを並行して行う
請求項1または2記載の固体撮像装置。
The read circuit, the reset signal and the pixel signal and the process of adding the solid-state imaging device of the parallel claim 1, wherein performing the process of subtracting the reset signal from the pixel signal.
前記読み出し回路は、前記画素信号に対して前記リセット信号を逆極性で読み出すことによって前記引く処理を実行する
請求項記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 3 , wherein the readout circuit performs the pulling process by reading out the reset signal with a reverse polarity with respect to the pixel signal.
前記固定電位は、前記リセット信号のレベルに近い値に設定されている
請求項1または2記載の固体撮像装置。
The fixed potential is a solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein is set to a value close to the level of the reset signal.
光電変換素子を含み、リセット時のリセット信号と前記光電変換素子で光電変換された電荷に応じた画素信号とを出力する単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、反転入力端子が前記入力容量の出力端に接続され、非反転入力端子にクランプ電圧が与えられる差動増幅器と、前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、前記差動増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された第3のスイッチ手段と、一端が前記差動増幅器の反転入力端子に接続された帰還容量と、一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記差動増幅器の出力端子に接続された第4のスイッチ手段とを有し、前記単位画素の行列状配列に対して列毎に配置された読み出し回路と
を備えた固体撮像装置の駆動に当たって、
前記リセット信号および前記画素信号についてそれぞれ前記第1のスイッチ手段によって前記単位画素の1つにつき複数回ずつサンプリングしかつ前記入力容量を介して前記差動増幅器の反転入力端子に入力し、当該複数回サンプリングした前記リセット信号と前記画素信号とを前記帰還容量で加算する
固体撮像装置の駆動方法。
A pixel array unit including a photoelectric conversion element, and unit pixels that output a reset signal at the time of resetting and a pixel signal corresponding to a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged in a matrix ;
First reset means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel; an input capacitor having an input terminal connected to an output side of the first switch means; and an inverting input terminal for the input A differential amplifier connected to the output terminal of the capacitor and applied with a clamp voltage to the non-inverting input terminal; second switch means for selectively connecting the input terminal of the input capacitor to a node of a fixed potential; and the differential Third switch means connected between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier, a feedback capacitor having one end connected to the inverting input terminal of the differential amplifier, and one end connected to the other end of the feedback capacitor And a fourth switch means having the other end connected to the output terminal of the differential amplifier, and a readout circuit arranged for each column with respect to the matrix arrangement of the unit pixels;
When driving a solid-state imaging device equipped with
The reset signal and the pixel signal are sampled a plurality of times per one of the unit pixels by the first switch means, and input to the inverting input terminal of the differential amplifier via the input capacitor. The solid-state imaging device driving method , wherein the sampled reset signal and the pixel signal are added by the feedback capacitance .
光電変換素子を含み、リセット時のリセット信号と前記光電変換素子で光電変換された電荷に応じた画素信号とを出力する単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記単位画素から出力される前記リセット信号および前記画素信号をサンプリングする第1のスイッチ手段と、前記第1のスイッチ手段の出力側に入力端が接続された入力容量と、入力端子が前記入力容量の出力端に接続されたシングルエンドの反転増幅器と、前記入力容量の入力端を固定電位のノードに選択的に接続する第2のスイッチ手段と、一端が前記反転増幅器の入力端子に接続された帰還容量と、一端が前記帰還容量の他端に接続され、他端が前記反転増幅器の出力端子に接続された第3のスイッチ手段と、前記反転増幅器の入力端子と出力端子との間に接続された第4のスイッチ手段と、前記帰還容量と前記第3のスイッチ手段との共通接続ノードにクランプ電圧を与える第5のスイッチ手段とを有し、前記単位画素の行列状配列に対して列毎に配置された読み出し回路と
を備えた固体撮像装置の駆動に当たって、
前記リセット信号および前記画素信号についてそれぞれ前記第1のスイッチ手段によって前記単位画素の1つにつき複数回ずつサンプリングしかつ前記入力容量を介して前記反転増幅器の入力端子に入力し、当該複数回サンプリングした前記リセット信号と前記画素信号とを前記帰還容量で加算する
固体撮像装置の駆動方法。
A pixel array unit including a photoelectric conversion element, and unit pixels that output a reset signal at the time of resetting and a pixel signal corresponding to a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged in a matrix;
First reset means for sampling the reset signal and the pixel signal output from the unit pixel, an input capacitor having an input terminal connected to an output side of the first switch means, and an input terminal serving as the input capacitor A single-ended inverting amplifier connected to the output terminal, a second switch means for selectively connecting the input terminal of the input capacitor to a fixed potential node, and one end connected to the input terminal of the inverting amplifier. A feedback capacitor, a third switch having one end connected to the other end of the feedback capacitor and the other end connected to the output terminal of the inverting amplifier, and connected between the input terminal and the output terminal of the inverting amplifier Fourth switch means, and fifth switch means for applying a clamp voltage to a common connection node between the feedback capacitor and the third switch means, and a matrix arrangement of the unit pixels. In the driving of the solid-state imaging device provided with a read circuit disposed for each column with respect to,
The reset signal and the pixel signal are sampled multiple times per one of the unit pixels by the first switch means, and input to the input terminal of the inverting amplifier via the input capacitor, and sampled multiple times. A method for driving a solid-state imaging device, wherein the reset signal and the pixel signal are added by the feedback capacitor.
前記リセット信号と前記画素信号とを加算する処理と、前記画素信号から前記リセット信号を引く処理とを並行して行う
請求項6または7記載の固体撮像装置の駆動方法。
The method for driving a solid-state imaging device according to claim 6 or 7 , wherein a process of adding the reset signal and the pixel signal and a process of subtracting the reset signal from the pixel signal are performed in parallel.
前記画素信号に対して前記リセット信号を逆極性で読み出すことによって前記引く処理を実行する
請求項記載の固体撮像装置の駆動方法。
The method for driving a solid-state imaging device according to claim 8 , wherein the pulling process is executed by reading the reset signal with a reverse polarity with respect to the pixel signal.
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