JP4644086B2

JP4644086B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4644086B2
Application number: JP2005280276A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野; 晴寛舩越
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: TWI413401B; JP2007096485A; TW200838282A

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置として、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々含む複数の画素部と、これら複数の画素部から順次に共通配線に出力される電荷の量に応じた電圧値を出力する信号処理回路と、を備えるものが知られている。このような複数の画素部が１次元配列された固体撮像装置は、ＣＣＤでは扱えないほど大きな電荷量を取り扱うことができ、また、複数の画素部の配列方向の長さを例えば５００μｍ〜２ｍｍと長尺にすることもできることから、分光分析装置，変位計およびバーコードリーダ等において１次元イメージセンサとして用いられている。

このように構成される固体撮像装置では、複数の画素部と信号処理回路とを互いに接続する共通配線が長いことから、その共通配線の容量が大きい。また、複数の画素部それぞれに含まれるフォトダイオードの接合容量も大きい。それ故、この固体撮像装置では、撮像の高速化を図ることが困難である。これに対して、撮像の高速化が図られた固体撮像装置が知られている（例えば非特許文献１を参照）。

非特許文献１に記載された固体撮像装置では、複数の画素部それぞれは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有し当該発生電荷量に応じた電圧値を出力する光電変換回路と、この光電変換回路から出力された電圧値を保持して当該保持電圧値に応じた量の電荷を共通配線に順次に出力する保持回路と、を含んでいる。このような構成とすることで、複数の画素部それぞれに含まれるフォトダイオードの接合容量を信号処理回路から見たときに小さくすることができ、撮像の高速化が可能となる。
K. Hara, et al., "A Linear-LogarithmicCMOS Sensor with Offset Calibration Using an Injected Charge Signal",ISSCC 2005 Dig. Tech. Papers, pp.354-355 (2005)

しかしながら、上記非特許文献１に記載されたような構成の固体撮像装置であっても、画素数が多くなると、それに応じて共通配線が長くなって配線容量が大きくなる。複数の画素部それぞれの保持回路から共通配線を経て信号処理回路へ電荷を転送する際に、保持回路の容量と配線容量との間で電荷分配が発生して、信号処理回路の入力端での電圧値が低下する。この入力端での電圧値低下を補うには、信号処理回路のゲインを大きくすればよいが、そうすると信号処理回路の処理速度が低下することになる。すなわち、上記非特許文献１に記載されたような構成の固体撮像装置であっても、撮像の高速化と高感度化との両立は困難である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、撮像の高速化と高感度化との両立が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有し当該発生電荷量に応じた電圧値を出力する光電変換回路と、この光電変換回路から出力された電圧値を保持して当該保持電圧値に応じた量の電荷を共通配線に順次に出力する保持回路と、を各々含む複数の画素部と、(2)第１アンプ，第１容量素子および抵抗器を含み、第１容量素子および抵抗器が互いに並列的に接続されて第１アンプの入力端子と出力端子との間に設けられ、第１アンプの入力端子が共通配線に接続されたトランスインピーダンス回路と、(3)第２アンプ，第２容量素子およびスイッチを含み、第２容量素子およびスイッチが互いに並列的に接続されて第２アンプの入力端子と出力端子との間に設けられ、第２アンプの入力端子がトランスインピーダンス回路の第１アンプの出力端子に接続された積分回路と、を備えることを特徴とする。

この固体撮像装置では、各画素部において、光入射に応じてフォトダイオードで電荷が発生し、その発生電荷量に応じた電圧値が光電変換回路から出力される。この光電変換回路から出力された電圧値は保持回路により保持されて、当該保持電圧値に応じた量の電荷が保持回路から共通配線に順次に出力される。各画素部の保持回路から出力された電荷は共通配線を経てトランスインピーダンス回路に入力され、この入力された電荷の量に応じたパルス高を有するパルス電流がトランスインピーダンス回路から出力される。そして、トランスインピーダンス回路から出力された電流は積分回路に入力され、この入力された電流に応じた電圧値が積分回路から出力される。

本発明に係る固体撮像装置は、(1) 複数の画素部それぞれが保持回路として第１保持回路および第２保持回路を含み、(2)共通配線として、第１保持回路に接続された第１共通配線と、第２保持回路に接続された第２共通配線とを備え、(3) トランスインピーダンス回路として、第１共通配線に接続された第１トランスインピーダンス回路と、第２共通配線に接続された第２トランスインピーダンス回路とを備え、(4)積分回路として、第１トランスインピーダンス回路と接続された第１積分回路と、第２トランスインピーダンス回路と接続された第２積分回路とを備え、(5) 第１積分回路および第２積分回路それぞれから出力された電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備えるのが好適である。

この場合には、各画素部の第１保持回路により保持された電圧値は、第１共通配線，第１トランスインピーダンス回路および第１積分回路を経て、差分演算回路に入力される。また、各画素部の第２保持回路により保持された電圧値は、第２共通配線，第２トランスインピーダンス回路および第２積分回路を経て、差分演算回路に入力される。そして、第１積分回路および第２積分回路それぞれから出力された電圧値の差に応じた電圧値が差分演算回路から出力される。ここで、第１保持回路により保持される電圧値が雑音成分であり、第２保持回路により保持される電圧値が信号成分であって、この信号成分に雑音成分が重畳されているような場合、差分演算回路から出力される電圧値は、雑音成分が除去された信号成分のみとなる。チャージアンプ回路においてはリセット動作が終了してリセットスイッチを開いた後に出力電圧の揺らぎが生じることが知られており、リセットノイズと呼ばれている。第１及び第２の積分回路で生じるこのリセットノイズは上述の２つの保持回路で除去されることになる。

本発明に係る固体撮像装置では、好適には、保持回路において電圧値を保持するための容量素子の容量値が１ｐＦ〜２ｐＦの範囲にあり、トランスインピーダンス回路の第１容量素子の容量値が１ｐＦ〜５ｐＦ（より好適には１ｐＦ〜３ｐＦ）の範囲にある。この場合には特に撮像の高速化および高感度化を図る上で好ましい。

本発明によれば、撮像の高速化と高感度化との両立が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、Ｎ個の画素部１０_１〜１０_Ｎ，第１トランスインピーダンス回路２０ａ，第２トランスインピーダンス回路２０ｂ，第１積分回路３０ａ，第２積分回路３０ｂ，差分演算回路４０および制御部９０を備える。ここで、Ｎは２以上の整数であり、以下に登場するｎは１以上Ｎ以下の整数である。

Ｎ個の画素部１０_１〜１０_Ｎは、共通の構成を有し、１次元配列されていて、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含む。各画素部１０_ｎは、２つの出力端を有し、一方の出力端が第１共通配線５０ａに接続され、他方の出力端が第２共通配線５０ｂに接続されている。

トランスインピーダンス回路２０ａおよびトランスインピーダンス回路２０ｂは共通の構成を有している。トランスインピーダンス回路２０ａの入力端は、共通配線５０ａに接続されている。トランスインピーダンス回路２０ｂの入力端は、共通配線５０ｂに接続されている。

積分回路３０ａおよび積分回路３０ｂは共通の構成を有している。積分回路３０ａの入力端は、抵抗器６０ａを介してトランスインピーダンス回路２０ａの出力端と接続されている。積分回路３０ｂの入力端は、抵抗器６０ｂを介してトランスインピーダンス回路２０ｂの出力端と接続されている。

差分演算回路４０は、２つの入力端を有し、一方の入力端が積分回路３０ａの出力端と接続され、他方の入力端が積分回路３０ｂの出力端と接続されている。差分演算回路４０は、積分回路３０ａおよび積分回路３０ｂそれぞれから出力された電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する。

図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる各画素部１０_ｎの回路図である。各画素部１０_ｎは、光電変換回路１１，第１保持回路１２ａおよび第２保持回路１２ｂを含む。保持回路１２ａおよび保持回路１２ｂは共通の構成を有している。

光電変換回路１１は、ＰＰＳ（Passive Pixel Sensor）方式のものであって、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードＰＤと、当該発生電荷量に応じた電圧値を出力する積分回路１３と、フォトダイオードＰＤと積分回路１３との間に設けられたスイッチＳＷ_１１とを有する。積分回路１３は、アンプＡ_１３，容量素子Ｃ_１３およびスイッチＳＷ_１３を有する。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地されていて、フォトダイオードＰＤのカソード端子はスイッチＳＷ_１１に接続されている。積分回路１３に含まれるアンプＡ_１３の反転入力端子は、スイッチＳＷ_１１を介してフォトダイオードＰＤのカソード端子に接続されている。積分回路１３に含まれるアンプＡ_１３の非反転入力端子は一定電圧値Ｖrefが入力される。容量素子Ｃ_１３およびスイッチＳＷ_１３は、互いに並列的に接続されていて、アンプＡ_１３の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。

この光電変換回路１１に含まれる積分回路１３では、スイッチＳＷ_１３が閉じることで、容量素子Ｃ_１３が放電され、積分回路１３から出力される電圧値が初期化される。スイッチＳＷ_１３が開きスイッチＳＷ_１１が閉じると、フォトダイオードＰＤへの光入射に応じて当該接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ_１１を経て積分回路１３に入力され、容量素子Ｃ_１３に蓄積される。そして、この容量素子Ｃ_１３に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が積分回路１３から出力される。

保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれは、光電変換回路１１から出力された電圧値を保持して、当該保持電圧値に応じた量の電荷を共通配線に出力するものであって、容量素子Ｃ_１２，スイッチＳＷ_１およびスイッチＳＷ_２を有する。保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれにおいて、容量素子Ｃ_１２の一端は接地され、容量素子Ｃ_１２の他端はスイッチＳＷ_１を介して積分回路１３のアンプＡ_１３の出力端子に接続されている。保持回路１２ａでは、容量素子Ｃ_１２の他端はスイッチＳＷ_２を介して共通配線５０ａに接続されている。保持回路１２ｂでは、容量素子Ｃ_１２の他端はスイッチＳＷ_２を介して共通配線５０ｂに接続されている。

これら保持回路１２ａ，１２ｂでは、スイッチＳＷ_１が開くことで、それまでに光電変換回路１１から出力されていた電圧値が容量素子Ｃ_１２に保持される。そして、スイッチＳＷ_２が閉じると、容量素子Ｃ_１２に保持されている電圧値に応じた量の電荷が共通配線５０ａ，５０ｂに出力される。なお、保持回路１２ａ，１２ｂは、互いに異なるタイミングで動作する。すなわち、一方の保持回路１２ａは、光電変換回路１１に含まれる積分回路１３においてスイッチＳＷ_１３が閉じているときから開いた直後に積分回路１３から出力される初期電圧値（雑音成分）を保持する。他方の保持回路１２ｂは、光入射に応じてフォトダイオードＰＤで発生した電荷が積分回路１３の容量素子Ｃ_１３に蓄積されているときに積分回路１３から出力される電圧値（信号成分）を保持する。なお、この信号成分には雑音成分が重畳されている。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれるトランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂ、積分回路３０ａ，３０ｂおよび差分演算回路４０の回路図である。

トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれは、アンプＡ_２０，容量素子Ｃ_２０および抵抗器Ｒ_２０を含む。トランスインピーダンス回路２０ａのアンプＡ_２０の反転入力端子は共通配線５０ａに接続されている。トランスインピーダンス回路２０ｂのアンプＡ_２０の反転入力端子は共通配線５０ｂに接続されている。トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれにおいて、アンプＡ_２０の非反転入力端子は一定電圧値Ｖrefが入力される。また、容量素子Ｃ_２０および抵抗器Ｒ_２０は、互いに並列的に接続されていて、アンプＡ_２０の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。

一方のトランスインピーダンス回路２０ａでは、画素部１０_ｎに含まれる保持回路１２ａのスイッチＳＷ_２が閉じたときに、その保持回路１２ａの容量素子Ｃ_１２に保持されていた電圧値に応じた量の電荷が共通配線５０ａを経て入力され、その入力された電荷の量に応じたパルス高を有するパルス電流が積分回路３０ａへ出力される。他方のトランスインピーダンス回路２０ｂでは、画素部１０_ｎに含まれる保持回路１２ｂのスイッチＳＷ_２が閉じたときに、その保持回路１２ｂの容量素子Ｃ_１２に保持されていた電圧値に応じた量の電荷が共通配線５０ｂを経て入力され、その入力された電荷の量に応じたパルス高を有するパルス電流が積分回路３０ｂへ出力される。

積分回路３０ａ，３０ｂそれぞれは、アンプＡ_３０，容量素子Ｃ_３０およびスイッチＳＷ_３０を含む。積分回路３０ａのアンプＡ_３０の反転入力端子は、抵抗器６０ａを介してトランスインピーダンス回路２０ａの出力端に接続されている。積分回路３０ｂのアンプＡ_３０の反転入力端子は、抵抗器６０ｂを介してトランスインピーダンス回路２０ｂの出力端に接続されている。積分回路３０ａ，３０ｂそれぞれにおいて、アンプＡ_３０の非反転入力端子は一定電圧値Ｖrefが入力される。また、容量素子Ｃ_３０およびスイッチＳＷ_３０は、互いに並列的に接続されていて、アンプＡ_３０の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。

積分回路３０ａ，３０ｂそれぞれでは、スイッチＳＷ_３０が閉じることで、容量素子Ｃ_３０が放電され、積分回路３０ａ，３０ｂから出力される電圧値が初期化される。一方の積分回路３０ａでは、スイッチＳＷ_３０が開いていると、トランスインピーダンス回路２０ａから出力された電流が抵抗器６０ａを経て入力され、その入力した電流に応じた量の電荷が容量素子Ｃ_３０に蓄積され、この容量素子Ｃ_３０に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が積分回路３０ａから出力される。他方の積分回路３０ｂでは、スイッチＳＷ_３０が開いていると、トランスインピーダンス回路２０ｂから出力された電流が抵抗器６０ｂを経て入力され、その入力した電流に応じた量の電荷が容量素子Ｃ_３０に蓄積され、この容量素子Ｃ_３０に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が積分回路３０ｂから出力される。

ここで、本実施形態ではスイッチＳＷ_３０を用いているが、抵抗器を使うことも考えられないことではないが、抵抗器を使った場合には、積分して容量素子Ｃ_３０に蓄積した電荷が抵抗器によって放電してしまうことになり、時間が経つに連れて積分回路３０ｂから出力される電圧値が小さくなってしまう。本実施形態のごとく、スイッチを用いれば、容量素子に蓄積した電荷の放電もなく、その分ゲインを高く稼げることになる。

差分演算回路４０は、アンプＡ_４０および抵抗器Ｒ_４１〜Ｒ_４４を含む。アンプＡ_４０の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_４１を介して積分回路３０ａの出力端に接続され、抵抗器Ｒ_４２を介してアンプＡ_４０の出力端子に接続されている。アンプＡ_４０の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ_４３を介して積分回路３０ｂの出力端に接続され、抵抗器Ｒ_４４を介して接地されている。この差分演算回路４０において、抵抗器Ｒ_４１，Ｒ_４３の抵抗値を共にＲ_１とし、抵抗器Ｒ_４２，Ｒ_４４の抵抗値を共にＲ_２とし、積分回路３０ａの出力電圧値をＶａとし、積分回路３０ｂの出力電圧値をＶｂとすると、アンプＡ_４０の出力端子から出力される電圧値Ｖoutは、下記(1)式で表される。この式に示されるように、差分演算回路４０から出力される電圧値Ｖoutは、積分回路３０ａの出力電圧値Ｖａと積分回路３０ｂの出力電圧値Ｖｂとの差（Ｖｂ−Ｖａ）に対して、ゲイン（Ｒ_２／Ｒ_１）を乗じたものとなる。

Ｖout＝−（Ｖｂ−Ｖａ）Ｒ_２／Ｒ_１ …(1)
制御部９０は、各画素部１０_ｎの光電変換回路１１に含まれるスイッチＳＷ_１１およびスイッチＳＷ_１３の開閉動作を制御する信号を出力し、各画素部１０_ｎの保持回路１２ａおよび保持回路１２ｂそれぞれに含まれるスイッチＳＷ_１およびスイッチＳＷ_２の開閉動作を制御する信号を出力し、また、積分回路３０ａおよび積分回路３０ｂそれぞれに含まれるスイッチＳＷ_３０の開閉動作を制御する信号を出力する。本実施形態に係る固体撮像装置１は、この制御部９０から出力される制御信号に基づいて動作する。

本実施形態に係る固体撮像装置１の動作の一例は以下のとおりである。なお、以下に説明する動作例は、制御部９０から出力される制御信号に基づくものである。

画素部１０_ｎにおいて、積分回路１３のスイッチＳＷ_１３が閉じることで、容量素子Ｃ_１３が放電され、光電変換回路１１から出力される電圧値が初期化される。さらに、積分回路１３のスイッチＳＷ_１３が開いた瞬間、積分可能状態となり、積分回路１３からノイズを含む初期電圧が発生する。その後、保持回路１２ａのスイッチＳＷ_１が開くことで、そのときに光電変換回路１１から出力されている初期電圧値（雑音成分）が保持回路１２ａの容量素子Ｃ_１２に保持される。

続いて、同じ画素部１０_ｎにおいて、積分回路１３のスイッチＳＷ_１３が開きスイッチＳＷ_１１が閉じると、フォトダイオードＰＤへの光入射に応じて当該接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ_１１を経て積分回路１３に入力され、容量素子Ｃ_１３に蓄積される。そして、この容量素子Ｃ_１３に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が積分回路１３から出力される。その後、保持回路１２ｂのスイッチＳＷ_１が開くことで、そのときに光電変換回路１１から出力されている電圧値（信号成分）が保持回路１２ｂの容量素子Ｃ_１２に保持される。

画素部１０_ｎにおいて、以上のようにして、保持回路１２ａに初期電圧値（雑音成分）が保持され、保持回路１２ｂに電圧値（信号成分）が保持されると、その後、保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれのスイッチＳＷ_２が同時に一定期間だけ閉じる。

画素部１０_ｎの保持回路１２ａのスイッチＳＷ_２が閉じている一定期間に、保持回路１２ａにより保持されていた電圧値（雑音成分）に応じた量の電荷は、共通配線６０ａを経てトランスインピーダンス回路２０ａに入力され、その入力された電荷の量に応じたパルス高を有するパルス電流が、トランスインピーダンス回路２０ａから出力される。トランスインピーダンス回路２０ａから出力されたパルス電流は、抵抗器６０ａを経て積分回路３０ａに入力される。そして、積分回路３０ａの容量素子Ｃ_３０に入力電流に応じた量の電荷が蓄積され、この容量素子Ｃ_３０に蓄積された電荷の量に応じた電圧値（雑音成分）Ｖａが積分回路３０ａから出力される。

同様に、画素部１０_ｎの保持回路１２ｂのスイッチＳＷ_２が閉じている一定期間に、保持回路１２ｂにより保持されていた電圧値（雑音成分）に応じた量の電荷は、共通配線６０ｂを経てトランスインピーダンス回路２０ｂに入力され、その入力された電荷の量に応じたパルス高を有するパルス電流が、トランスインピーダンス回路２０ｂから出力される。トランスインピーダンス回路２０ｂから出力されたパルス電流は、抵抗器６０ｂを経て積分回路３０ｂに入力される。そして、積分回路３０ｂの容量素子Ｃ_３０に入力電流に応じた量の電荷が蓄積され、この容量素子Ｃ_３０に蓄積された電荷の量に応じた電圧値（信号成分）Ｖｂが積分回路３０ｂから出力される。

積分回路３０ａから出力された電圧値（雑音成分）Ｖａ、および、積分回路３０ｂから出力された電圧値（信号成分）Ｖｂは、差分演算回路４０に入力される。そして、上記(1)式で表される電圧値Ｖoutが差分演算回路４０から出力される。

以上のような画素部１０_ｎについての一連の動作が終了すると、次の画素部１０_ｎ＋１についても同様の動作が行われる。このようにしてＮ個の画素部１０_１〜１０_Ｎについて順次に同様の動作が行われて、Ｎ個の画素部１０_１〜１０_Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤへの入射光量に応じた電圧値Ｖoutが差分演算回路４０から順次に出力される。

本実施形態に係る固体撮像装置１では、各画素部１０_ｎにおいて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値が光電変換回路１１から出力され、この電圧値が保持回路１２ａ，１２ｂにより保持される。したがって、各画素部１０_ｎに含まれるフォトダイオードＰＤの接合容量が大きくても、撮像速度の劣化が防止される。

各画素部１０_ｎの保持回路１２ａとトランスインピーダンス回路２０ａとの間の共通配線５０ａは、トランスインピーダンス回路２０ａに含まれるアンプＡ_２０の反転入力端子に接続されていて、この反転入力端子とイマジナリショートの関係にあるアンプＡ_２０の非反転入力端子に入力される電圧値Ｖrefと同じ一定電圧値に保たれる。同様に、各画素部１０_ｎの保持回路１２ｂとトランスインピーダンス回路２０ｂとの間の共通配線５０ｂも、一定電圧値に保たれる。したがって、画素数Ｎが多くなって共通配線５０ａ，５０ｂが長くなっても、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂの入力端での電圧値低下が防止されるので、差分演算回路４０におけるゲイン（Ｒ_２／Ｒ_１）を大きくする必要がなく、それ故、この点でも撮像速度の劣化が防止される。

差分演算回路４０から出力される電圧値Ｖoutは、積分回路３０ａの出力電圧値（雑音成分）Ｖａと積分回路３０ｂの出力電圧値（信号成分）Ｖｂとの差（Ｖｂ−Ｖａ）に対して、ゲイン（Ｒ_２／Ｒ_１）を乗じたものである。また、この差（Ｖｂ−Ｖａ）は、保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに保持された電圧値の差に応じたものである。したがって、差分演算回路４０から出力される電圧値Ｖoutは、積分回路１３の出力電圧値に含まれるオフセットが除去されて高精度のものとなる。

また、一般に、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂは、広帯域であることから、出力信号に熱雑音成分が重畳し易い。しかし、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂからの出力信号のうち高周波成分は積分回路３０ａ，３０ｂにより遮断されるので、積分回路３０ａ，３０ｂからの出力信号は熱雑音成分が低減されたものとなる。

なお、撮像の高速化を図る上では、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_２０の容量値Ｃ_ｆと抵抗器Ｒ_２０の抵抗値Ｒ_ｆとの積（Ｃ_ｆＲ_ｆ）は小さい方が好ましい。また、撮像の高速化を図る上では、各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈと、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_２０の容量値Ｃ_ｆと、の比（Ｃ_ｈ／Ｃ_ｆ）も小さい方が好ましい。さらに、撮像の高感度化を図る上では、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれに含まれる抵抗器Ｒ_２０の抵抗値Ｒ_ｆは大きい方が好ましい。したがって、これらのパラメータの値には、撮像の高速化および高感度化を図る上で特に好ましい範囲がある。

図４は、各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈと、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂから出力されるパルス信号のピーク到達時間と、の関係を示すグラフである。また、図５は、各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈと、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂから出力されるパルス信号のパルス高と、の関係を示すグラフである。これらの図では、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_２０の容量値Ｃ_ｆおよび抵抗器Ｒ_２０の抵抗値Ｒ_ｆについて、Ｃ_ｆが２ｐＦであってＲ_ｆが１ｋΩである場合、Ｃ_ｆが１ｐＦであってＲ_ｆが１ｋΩである場合、および、Ｃ_ｆが２ｐＦであってＲ_ｆが５００Ωである場合、の３つの場合について示されている。

これらの図から判るように、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂの時定数を表す積（Ｃ_ｆＲ_ｆ）が同じであっても、容量素子Ｃ_２０の容量値Ｃ_ｆが大きいほど、ピーク到達時間が短く（撮像速度が速く）、出力パルス信号のパルス高が低い（感度が悪い）。その他に種々の条件の下でシミュレーションした結果によると、撮像の高速化および高感度化を図る上では、各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈが１ｐＦ〜２ｐＦの範囲にあるのが好ましく、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_２０の容量値Ｃ_ｆが１ｐＦ〜５ｐＦ（より好適には１ｐＦ〜３ｐＦ）の範囲にあるのが好ましい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各画素部１０_ｎに含まれる光電変換回路１１は、上記実施形態ではＰＰＳ方式のものであったが、ＡＰＳ（Active PixelSensor）方式のものであってもよい。

本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる各画素部１０_ｎの回路図である。本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれるトランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂ、積分回路３０ａ，３０ｂおよび差分演算回路４０の回路図である。各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈと、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂから出力されるパルス信号のピーク到達時間と、の関係を示すグラフである。各画素部１０_ｎの保持回路１２ａ，１２ｂそれぞれに含まれる容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_ｈと、トランスインピーダンス回路２０ａ，２０ｂから出力されるパルス信号のパルス高と、の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…固体撮像装置、１０_１〜１０_Ｎ…画素部、１１…光電変換回路、１２ａ，１２ｂ…保持回路、１３…積分回路、２０ａ，２０ｂ…トランスインピーダンス回路、３０ａ，３０ｂ…積分回路、４０…差分演算回路、５０ａ，５０ｂ…共通配線、９０…制御部、ＰＤ…フォトダイオード。

Claims

入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有し当該発生電荷量に応じた電圧値を出力する光電変換回路と、この光電変換回路から出力された電圧値を保持して当該保持電圧値に応じた量の電荷を共通配線に順次に出力する保持回路と、を各々含む複数の画素部と、
第１アンプ，第１容量素子および抵抗器を含み、前記第１容量素子および前記抵抗器が互いに並列的に接続されて前記第１アンプの入力端子と出力端子との間に設けられ、前記第１アンプの入力端子が前記共通配線に接続されたトランスインピーダンス回路と、
第２アンプ，第２容量素子およびスイッチを含み、前記第２容量素子および前記スイッチが互いに並列的に接続されて前記第２アンプの入力端子と出力端子との間に設けられ、前記第２アンプの入力端子が前記トランスインピーダンス回路の前記第１アンプの出力端子に接続された積分回路と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の画素部それぞれが前記保持回路として第１保持回路および第２保持回路を含み、
前記共通配線として、前記第１保持回路に接続された第１共通配線と、前記第２保持回路に接続された第２共通配線とを備え、
前記トランスインピーダンス回路として、前記第１共通配線に接続された第１トランスインピーダンス回路と、前記第２共通配線に接続された第２トランスインピーダンス回路とを備え、
前記積分回路として、前記第１トランスインピーダンス回路と接続された第１積分回路と、前記第２トランスインピーダンス回路と接続された第２積分回路とを備え、
前記第１積分回路および前記第２積分回路それぞれから出力された電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備える、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記保持回路において電圧値を保持するための容量素子の容量値が１ｐＦ〜２ｐＦの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記トランスインピーダンス回路の前記第１容量素子の容量値が１ｐＦ〜５ｐＦの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。