JP5129035B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、可変増幅機能を有するＭＯＳ型固体撮像装置に関する。

近年、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置が注目を集めている。従来のかかる固体撮像装置の構成並びにその信号読み出しタイミング動作を、特開２００７−１９５８０号公報開示のものを参照しながら説明する。図６は、該公報開示の固体撮像装置の構成を示す概念図である。この従来例は、画素１が行列状に配列され、所定の期間に入射した光の量に応じた電気信号を出力する画素部と、画素部からの信号が行単位で読み出される垂直信号線３と、画素部へ行単位で制御信号を入力する垂直走査部２と、垂直信号線３に接続され、画素部からの信号に含まれたノイズ成分を抑圧するためのノイズ抑圧部４と、ノイズ抑圧後の信号を保持するホールド容量ＣＨと、ホールド容量ＣＨに保持された信号を順次、水平信号線６に読み出すための水平信号線読み出しスイッチＭＨと、水平信号線読み出しスイッチＭＨへ水平選択パルスφＨ１〜φＨ２を供給する水平走査部５と、水平信号線６の電位を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットする水平信号線リセットスイッチＭＲと、水平信号線６の電位を所定の増幅率で増幅する出力アンプ７と、水平信号線リセットスイッチＭＲに水平リセット制御パルスφＨＲを供給すると共に、垂直走査部２とノイズ抑圧部４と水平走査部５に制御パルスを供給するタイミング制御部８とから構成されている。

図７は、図６に示す従来の固体撮像装置の動作を示すタイミング図である。ここでは、ホールド容量ＣＨに蓄積されたノイズ抑圧後の画素信号を水平信号線６に読み出すタイミングを示している。まず、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｈとし、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットし、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｌとした後、水平選択パルスφＨ１＝Ｈとし１列目のホールド容量ＣＨに保持された画素信号を水平信号線６に読み出す。ここで画素信号が大きいほど、水平信号線６の電位は下がるものとする。水平選択パルスφＨ１＝Ｌとした後、再び水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｈとし、水平信号線６をリセットし、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｌとした後、水平選択パルスφＨ２＝Ｈとすることで２列目のホールド容量ＣＨに保持された画素信号を水平信号線６に読み出す。このように繰り返し制御を行うことで、水平信号線６に各列信号を順次読み出していく。水平信号線６に読み出された画素信号は出力アンプ７により所定の増幅率で増幅され出力される。

画素信号のホールド容量ＣＨへの読み出し動作は、例えば図８の（Ａ），（Ｂ）に示すような構成における動作が考えられる。画素１は、それぞれ入射光を電気信号に変えるフォトダイオードＰＤ，フォトダイオードＰＤに蓄積された電気信号を転送する転送トランジスタＭ１，転送された電気信号を増幅する増幅トランジスタＭ３，増幅トランジスタＭ３のゲート電極等の電位をリセットするリセットトランジスタＭ２，電気信号に基づく増幅信号を選択的に出力する行選択トランジスタＭ４とからなり、転送トランジスタＭ１，リセットトランジスタＭ２，行選択トランジスタＭ４のゲートには垂直走査部２より行単位で転送パルスφＴＸ，リセットパルスφＲＳＴ，行選択パルスφＲＯＷがそれぞれ入力される。また、リセットトランジスタＭ２と増幅トランジスタＭ３のドレインには画素電源ＶＤＤが接続されている。

ノイズ抑圧部４は、垂直信号線３に定電流を流すためのバイアス用トランジスタＭ５，画素信号をクランプするためのクランプ容量ＣＬ，及びクランプトランジスタＭ７，ノイズ抑圧後の信号を保持するためのサンプルホールドトランジスタＭ６からなり、クランプトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬが、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲートにはサンプルホールドパルスφＳＨが供給される。またバイアス用トランジスタＭ５のゲートにはバイアス電圧ＶＢＩＡＳ，クランプトランジスタＭ７のドレインにはクランプ電圧ＶＣが供給される。

図９は、図８のように構成された画素部の信号読み出し動作と、ノイズ抑圧部によるノイズ抑圧動作を示すタイミング図である。まず、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｈにより画素部の１行分が選択され、選択行の信号が垂直信号線３に読み出される。次に、リセットパルスφＲＳＴ＝Ｈとし、選択行の増幅トランジスタＭ３のゲート電位をリセットし、リセット電位を垂直信号線３に出力する。このとき、ノイズ抑圧部４ではサンプルホールドパルスφＳＨ＝Ｈ，クランプパルスφＣＬ＝Ｈとしておき、垂直信号線３と接続すると共に、ノイズ抑圧部４の出力をクランプ電位ＶＣでクランプする。

次に、リセットパルスφＲＳＴ＝Ｌとし、各画素１のリセットを完了したのち、クランプパルスφＣＬ＝Ｌとしノイズ抑圧部４でのクランプを終了する。次に、転送パルスφＴＸ＝Ｈとし、フォトダイオードＰＤで所定の期間に発生した信号電荷を増幅トランジスタＭ３のゲートに転送すると、垂直信号線３にはフォトダイオードＰＤで発生した信号電荷に応じた信号電位が出力され、転送パルスφＴＸ＝Ｌとしても引き続き垂直信号線３にはフォトダイオードＰＤで発生した信号電荷に応じた信号電位が出力される。このときノイズ抑圧部４の出力は、画素１のリセット電位から信号電位への変化分だけクランプ電位ＶＣに対し変動する。これにより、リセット電位と信号電位に含まれるノイズ成分が差分される。最後にサンプルホールドパルスφＳＨ＝Ｌとし、ノイズ抑圧動作を完了させ、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｌとし選択行と垂直信号線３とを電気的に切り離す。

以上のように、画素信号の読み出し及びノイズ抑圧動作が行われ、ホールド容量ＣＨにノイズ抑圧後の画素信号が保持される。
特開２００７−１９５８０号公報

しかしながら、図６に示す従来の個体撮像装置においては、高速に読み出そうとすると、水平信号線６の応答性不足により、水平信号線６のリセット時にリセット不足が生じ、良好な画像信号が得られないという課題がある。水平信号線６のリセット不足は、信号出力が大きいほど発生しやすい。また、水平信号線６をリセットせずに続けて信号を読み出す場合でも、続けて読み出す際の信号差が大きいと水平信号線の応答不足により、前の列の信号成分の影響が次の信号成分に残ることもあり、良好な画像信号が得られない。また水平信号線６の応答性不足は、出力アンプ７の増幅率が大きいほど、画質に及ぼす影響が大きくなる。

本発明は、従来の固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、水平信号線の最大振幅を制御し、水平信号線の応答性不足による画質劣化を抑圧するようにした固体撮像装置を提供すること目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に係る発明は、入射する光を信号電荷に変換し前記信号電荷に応じた電気信号を出力する画素を複数２次元状に配列してなる画素部と、前記画素部の信号を列毎に読み出す垂直信号線と、前記垂直信号線からスイッチを介して信号を読み出す水平信号線と、前記水平信号線からの信号を所定の増幅率で増幅して読み出す可変増幅部とを少なくとも有し、更に前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出し時に、前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記水平信号線をリセットするリセット手段を更に有し、前記水平信号線への信号読み出し時に、前記リセット手段を通じて、前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御するごとく固体撮像装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記リセット手段は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、前記ＮＭＯＳトランジスタのゲートにリセットパルスを入力することで前記水平信号線をリセットし、前記リセットパルスのＬowレベルを変更することで、前記水平信号線の信号レベルの制限レベルを変更することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記制御手段は、前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出し時に、前記スイッチを通じて前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御することを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る固体撮像装置において、前記スイッチはＰＭＯＳトランジスタで構成され、前記ＰＭＯＳトランジスタに信号読み出しパルスを入力することで、前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出しを行い、前記信号読み出しパルスのＬowレベルを変更することで、前記水平信号線の信号レベルの制限レベルを変更することを特徴とするものである。

本発明によれば、水平信号線に画素信号を読み出す際に、水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御しているので、水平信号線の応答性不足によって生じる画質劣化を抑圧することが可能な固体撮像装置を実現できる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。図１は、本発明の実施例１に係るＭＯＳ型固体撮像装置の構成を示す概略図である。図６及び図８に示した従来例と同一の構成要素には同一の符号を付して示している。本実施例は、画素１が行列状に配列され、所定の期間に入射した光の量に応じた電気信号を出力する画素部と、画素部からの信号が行単位で読み出される垂直信号線３と、画素部へ行単位で制御信号を入力する垂直走査部２と、垂直信号線３に接続され、画素部からの信号に含まれたノイズ成分を抑圧するためのノイズ抑圧部４と、ノイズ抑圧後の信号を保持するホールド容量ＣＨと、ホールド容量ＣＨに保持された信号を順次、水平信号線６に読み出すための水平信号線読み出しスイッチＭＨと、水平信号線読み出しスイッチＭＨへ水平選択パルスφＨ１〜φＨ２を供給する水平走査部５と、水平信号線６の電位を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットする水平信号線リセットスイッチＭＲと、水平信号線６の電位を所定の増幅率で増幅する出力アンプ７と、水平信号線リセットトスイッチＭＲに水平リセット制御パルスφＨＲを供給すると共に、垂直走査部２とノイズ抑圧部４と水平走査部５に制御パルスを供給すると共に、出力アンプ７の増幅率を設定する制御部８とから構成される。

画素１は、それぞれ入射光を電気信号に変えるフォトダイオードＰＤ，フォトダイオードＰＤに蓄積された電気信号を転送する転送トランジスタＭ１，転送された電気信号を増幅する増幅トランジスタＭ３，増幅トランジスタＭ３のゲート電極等の電位をリセットするリセットトランジスタＭ２，電気信号に基づく増幅信号を選択的に出力する行選択トランジスタＭ４とからなり、転送トランジスタＭ１，リセットトランジスタＭ２，行選択トランジスタＭ４のゲートには、垂直走査部２より行単位で転送パルスφＴＸ，リセットパルスφＲＳＴ，行選択パルスφＲＯＷがそれぞれ入力される。また、リセットトランジスタＭ２と増幅トランジスタＭ３のドレインには、画素電源ＶＤＤが接続されている。

ノイズ抑圧部４は、垂直信号線３に定電流を流すためのバイアス用トランジスタＭ５，画素信号をクランプするためのクランプ容量ＣＬ，クランプトランジスタＭ７，ノイズ抑圧後の信号を保持するためのサンプルホールドトランジスタＭ６からなり、クランプトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬが、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲートにはサンプルホールドパルスφＳＨが供給される。またバイアス用トランジスタＭ５のゲートにはバイアス電圧ＶＢＩＡＳ，クランプトランジスタＭ７のドレインにはクランプ電圧ＶＣが供給されるようになっている。

図２の（Ａ），（Ｂ）は、上記構成の実施例１に係る固体撮像装置の動作を説明するためのタイミング図である。まず、図２の（Ａ）のタイミングチャートで示すように、画素部からの画素信号の読み出し及びノイズ抑圧動作が行われ、ホールド容量ＣＨにノイズ抑圧後の画素信号が保持される。この動作に関しては従来技術と同じである。具体的には、まず、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｈにより画素部の１行分が選択され、選択行の信号が垂直信号線３に読み出される。次に、リセットパルスφＲＳＴ＝Ｈとし、選択行の増幅トランジスタＭ３のゲート電位をリセットし、リセット電位を垂直信号線３に出力する。このとき、ノイズ抑圧部４ではサンプルホールドパルスφＳＨ＝Ｈ，クランプパルスφＣＬ＝Ｈとしておき、垂直信号線３と接続すると共に、ノイズ抑圧部４の出力をクランプ電位ＶＣでクランプする。次に、リセットパルスφＲＳＴ＝Ｌとし、各画素部１のリセットを完了したのち、クランプパルスφＣＬ＝Ｌとしてノイズ抑圧部４でのクランプを終了する。

次に、転送パルスφＴＸ＝Ｈとし、フォトダイオードＰＤで所定の期間に発生した信号電荷を増幅トランジスタＭ３のゲートに転送すると、垂直信号線３にはフォトダイオードＰＤで発生した信号電荷に応じた信号電位が出力され、転送パルスφＴＸ＝Ｌとしても引き続き垂直信号線３にはフォトダイオードＰＤで発生した信号電荷に応じた信号電位が出力される。このときノイズ抑圧部４の出力は、画素１のリセット電位から信号電位への変化分だけクランプ電位ＶＣに対し変動する。これにより、リセット電位と信号電位に含まれるノイズ成分が差分される。最後にサンプルホールドパルスφＳＨ＝Ｌとし、ノイズ抑圧動作を完了させ、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｌとし選択行と垂直信号線３とを電気的に切り離す。以上のように、画素信号の読み出し及びノイズ抑圧動作が行われ、ホールド容量ＣＨにノイズ抑圧後の画素信号が保持される。

次に、図２の（Ｂ）のタイミングチャートに示すように、各列のホールド容量ＣＨに保持された信号の水平信号線６への読み出しが行われる。まず、水平信号線リセットパルスφＨＲ＝Ｈとし、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットする。次に、水平リセット制御パルスφＨＲのレベルをＨレベルとＬレベルの中間値Ｖclipとし、水平選択パルスφＨ１＝Ｈとし、ホールド容量ＣＨに保持されたノイズ抑圧後の画素信号を水平信号線６に読み出す。

水平信号線６の電位は画素信号に応じて下がるが、水平信号線６の電位が、Ｖclip−Ｖth-MR （Ｖth-MR は水平信号線リセットトランジスタＭＲの閾値電圧）よりも低くなると、水平信号線リセットトランジスタＭＲがＯＮとなるため、Ｖclip−Ｖth-MR で水平信号線６の電位が制限される。したがって、次に水平選択パルスφＨ１＝Ｌとし、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｈとし、水平信号線６を再びリセットする際に、リセット電位との電位差が少なくなり、水平信号線６のリセット不足が発生せず、画質劣化が生じない。

水平信号線６の電位は、出力アンプ７により増幅されて出力される。したがって、図２に示すように、水平信号線６の電位が制限されても、出力アンプ７の出力は十分な出力を得ることができる。水平信号線６の制限レベルは、制御部８から出力される水平リセット制御パルスφＨＲのＶclipを変更することで変更できるため、同じく制御部８から設定される出力アンプ７の増幅率に応じてＶclipを変更することで、水平信号線６の振幅を制限しても、出力アンプ７の出力としては十分な出力を得ることができる。なお、ここで水平信号線の信号レベルの制限レベルは、該制限レベルにより制限され出力アンプ７により増幅された増幅出力信号が、出力アンプ７の出力範囲の最大値となるように設定される。

（実施例２）
図３は、本発明の実施例２の構成を示す概念図である。本実施例は、図１に示した実施例１の水平信号線読み出しスイッチＭＨをＮＭＯＳトランジスタの代わりにＰＭＯＳトランジスタで構成したもので、それ以外の構成は実施例１と同じであり、対応する構成要素には同一の符号を付して示している。図４は、実施例２の動作を説明するためのタイミング図である。画素信号の読み出しとノイズ抑圧動作は、図２の（Ａ）に示した実施例１の動作と同様なため、ここではホールド容量ＣＨに保持されたノイズ抑圧後の画素信号を水平信号線６に読み出す動作についてのみ示す。

まず、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｈにより水平信号線６が水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットされる。次に、水平選択パルスφＨ１をＨレベルより低いＶclipとすることにより、１列目のホールド容量ＣＨに保持された画素信号が、水平信号線６に読み出される。ここで、水平信号線６の電位は画素信号に応じて下がるが、Ｖclip−Ｖth-MH （Ｖth-MH は水平信号線読み出しスイッチＭＨの閾値電圧）よりも低くなると、水平信号線読み出しスイッチＭＨがＯＦＦとなるため、Ｖclip−Ｖth-MH で水平信号線６の電位が制限される。

したがって、次に水平選択パルスφＨ１＝Ｈとし水平信号線読み出しスイッチＭＨをＯＦＦ状態とした後、水平リセット制御パルスφＨＲ＝Ｈとし、水平信号線６を再びリセットする際に、リセット電位ＶＲとの電位差が少なくなり、水平信号線６のリセット不足が発生せず画質劣化が生じない。

水平信号線６の電位は、出力アンプ７により増幅されて出力される。したがって、図４に示すように、水平信号線６の電位が制限されても、出力アンプ７の出力は十分な出力を得ることができる。水平信号線６の制限レベルは、制御部８で制御される水平走査部５から出力される水平選択パルスφＨ１，φＨ２のＶclipを変更することで変更できるため、同じく制御部８で設定される出力アンプ７の増幅率に応じてＶclipを変更することで、水平信号線６の振幅を制限しても、出力アンプ７の出力としては十分な出力を得ることができる。

本実施例においては、例えば、図５に示すように各列回路の出力に列出力ドライバ９を設けた際にも、列回路の出力を制限することができる。この場合、水平信号線６をリセットせずに続けて信号を読み出す際に、列信号差が大きいときに生ずる水平信号線６の応答不足による画質劣化を抑圧することができる。

以上、実施例１及び2 においては、水平信号線６の電位の振幅を制限する駆動方法を説明してきたが、上記以外の構成でも、出力アンプ７の増幅率に応じて各列回路から水平信号線６へ信号を読み出す際の振幅を制限することは可能である。また実施例１及び２では、出力アンプ７を、アナログ信号を増幅するものとして説明したが、画素信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号を増幅する手段をもつように構成したものに対しても、その増幅率に応じて水平信号線６の制限レベルを変更することで、同様の効果を得ることができる。

以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば、水平信号線に画素信号を読み出す際に、水平信号線の最大振幅を制御することで、水平信号線の応答性不足によって生じる画質劣化を抑圧することが可能となる。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成の一部をブロックで示す回路構成図である。 図１に示した実施例１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例２に係る固体撮像装置の一部をブロックで示す回路構成図である。 図３に示した実施例２の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図３に示した実施例２の変形例の一部をブロックで示す回路構成図である。 従来の固体撮像装置の構成を一部ブロックで示す回路構成図である。 図６に示した従来例の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図６に示した従来例の画素及びノイズ抑圧部の構成を示す回路構成図である。 図８に示した画素及びノイズ抑圧部の動作を説明するためのタイミングチャートである。

１ 画素
２ 垂直走査部
３ 垂直信号線
４ ノイズ抑圧部
５ 水平走査部
６ 水平信号線
７ 出力アンプ
８ 制御部
９ 列出力ドライバ

Claims (4)

1. 入射する光を信号電荷に変換し前記信号電荷に応じた電気信号を出力する画素を複数２次元状に配列してなる画素部と、
   前記画素部の信号を列毎に読み出す垂直信号線と、
   前記垂直信号線からスイッチを介して信号を読み出す水平信号線と、
   前記水平信号線からの信号を所定の増幅率で増幅して読み出す可変増幅部とを少なくとも有し、
   更に前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出し時に、前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記水平信号線をリセットするリセット手段を更に有し、前記水平信号線への信号読み出し時に、前記リセット手段を通じて、前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記リセット手段は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、前記ＮＭＯＳトランジスタのゲートにリセットパルスを入力することで前記水平信号線をリセットし、前記リセットパルスのＬowレベルを変更することで、前記水平信号線の信号レベルの制限レベルを変更することを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出し時に、前記スイッチを通じて前記水平信号線の信号レベルが所定の制限レベルより超えないように制御することを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
4. 前記スイッチは、ＰＭＯＳトランジスタで構成され、前記ＰＭＯＳトランジスタに信号読み出しパルスを入力することで、前記垂直信号線から前記水平信号線への信号読み出しを行い、前記信号読み出しパルスのＬowレベルを変更することで、前記水平信号線の信号レベルの制限レベルを変更することを特徴とする請求項３に係る固体撮像装置

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