JP5311954B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

近年、デジタルカメラやスキャナ向けにＭＯＳ型固体撮像装置が広く普及してきている。この１つの理由が高いＳ／Ｎ比を実現できるようになった点である。高いＳ／Ｎ比を実現させるための１つの手段として、画素マトリクスアレイの列毎の読み出し回路毎に増幅器を設けることが有用である。列毎の増幅器でゲインをかけることにより後段の回路のゲインを小さく抑えることができるため、後段で発生するノイズを増幅する必要がなくなる。その結果Ｓ／Ｎを高くすることができる。

特許文献１では、通常列毎に設ける増幅手段を複数列で共有することにより回路素子数を削減しチップ面積を縮小している。

同文献で説明されているように、増幅手段のリセット動作時に、サンプルスイッチを介して各サンプル容量の増幅手段側の電極の電位は基準電位に固定される。この状態で２列の画素の光信号を第１及び第２のサンプル容量へホールドするクランプ動作は、第１及び第２のサンプルスイッチを同時に開閉動作し、画素のリセット信号を各サンプル容量に書き込むことで行われる。以後、開閉動作のうち、開動作によってスイッチが導通状態になることをＯＮ動作、閉動作によって非導通状態となることをＯＦＦ動作と呼ぶ。また開閉動作をＯＮ／ＯＦＦ動作と呼ぶ。

増幅手段のリセット解除及び画素をリセット状態とした後に、第１のサンプルスイッチをＯＮ／ＯＦＦして、増幅手段から１列目の画素信号を読み出す。次に増幅手段を再度リセットした後に、第２のサンプルスイッチをＯＮ／ＯＦＦして、２列目の画素信号を読み出している。このＯＮ／ＯＦＦ動作は各サンプルスイッチに入力される駆動パルスによって制御されている。

また、特許文献２には、１行の画素領域を第１群と第２群に２分割し、第１群のメモリ手段への垂直転送と第２群のメモリ手段から読み出す水平転送を同時に行い、また第２群の垂直転送と第１群の水平転送を同時に行なう構成が開示されている。
特開２００３−２２８４５７号公報 特開２００７−１９４７２０号公報

クランプ動作中は共通ノードである差動増幅回路の反転入力端子と出力端子は短絡されている。例えば差動増幅回路がＭＯＳトランジスタで構成される差動対である場合、出力端子と基準電圧の接続された正転入力端子は、ＭＯＳトランジスタのゲート−ドレイン間の寄生容量によって、容量結合している。基準電圧配線は通常全ての差動増幅回路で共有されているので、列数が多いほど、基準電圧配線に容量結合する共通ノードの数とクランプ動作中にＯＮ／ＯＦＦ動作するサンプルスイッチ数が多くなる。したがって、列数が多いほど共通ノードの電圧変動が基準電圧を大きく変動させる。この基準電圧の変動は、基準電圧源の駆動力及び基準電圧配線の寄生容量および寄生抵抗によって決まる時定数に従って元の電位に戻るため、上述した共通ノード変動と同様に変動する。クランプ動作中は基準電圧の変動に追随して共通ノードは変動するため、先に述べた共通ノードの変動が増幅される。つまり列数の多い大規模な固体撮像装置ほど、より大きな固定パターンノイズ（以後、ＦＰＮ）を生じさせる結果となる。

また特許文献２に開示されている構成の場合、二つの群に分けて走査を行っているが、同一群の中では上述した課題が生じ得る。

なお、上述した課題は、サンプル容量にスイッチを介して増幅手段が接続された構成に限って生じるものではない。図１４（ａ）は上記回路部分を抜き出したものであるが、図にあるように、クランプ動作中は、差動増幅回路の反転入力端子と出力端子間に接続されているリセットスイッチが導通状態にあるため、両端子はショートされる。正転入力端子と反転入力端子は仮想接地であるため、両端子が同電位となるように出力端子の電圧が差動増幅回路自身によって調整される。しかしながら図１４（ｂ）に示すように、単にサンプル容量の出力ノードに基準レベルを供給するリセットスイッチに、基準電圧源が接続されている構成においても、上記の電位変動は、全て起こり得ることは容易に理解できる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされ、所定数の信号保持手段ごとに、選択手段を介して信号保持手段の出力ノードに基準レベルを供給する固体撮像装置において、固定パターンノイズを低減した駆動方法を実現することにある。

上記課題を解決するために、画素の出力ノードからの信号が入力ノードへ供給される、複数の信号保持手段と、各信号保持手段に対応して設けられ、該信号保持手段に保持された信号を転送する選択手段と、所定数の前記信号保持手段ごとに設けられ、前記選択手段を介して該信号保持手段の出力ノードに基準レベルを供給する、複数の基準レベル供給手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記基準レベル供給手段から前記選択手段を介して、前記出力ノードに前記基準レベルが供給されている期間中に前記画素からの信号を前記信号保持手段にサンプル及びホールドするクランプ動作を、前記信号保持手段ごともしくは複数の前記信号保持手段ごとに、複数回に分けて順次行い、前記選択手段により、前記信号保持手段を選択する選択動作を複数回に分けて順次行うことで、選択された前記信号保持手段から信号を順次読み出すことを特徴とする。

本発明によれば、クランプ動作において同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ数を制限することによって、ＦＰＮの低減を実現できる。

以下に本発明の実施例にかかる固体撮像装置の駆動方法を図面に基づいて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例にかかる固体撮像装置の構成例である。１はＭ行×Ｎ列の画素アレイ、２は画素アレイ１を構成する、光電変換処理を行う画素であり、画素２−Ｍ−ＮはＭ行Ｎ列の画素を示している。各画素出力は列毎に共通の出力線（以後共通出力線と呼ぶ）を用いており、電流源３−１〜３−Ｎにより各共通出力線に電流が供給されている。４−１〜４−（Ｎ／Ｌ）は各列毎に出力される画素の入射光量に応じた振幅を持つ光信号（以後Ｓ信号と呼ぶ）と、画素のリセット信号（以後Ｎ信号と呼ぶ）の差分演算増幅することが可能な、複数列ごと（Ｌ列ごと）に共有されているクランプ手段である。１〜Ｌ列目がクランプ手段４−１を共有し、Ｌ＋１〜２Ｌ列目がクランプ手段４−２を、・・・、Ｎ−Ｌ＋１〜Ｎ列目がクランプ手段４−（Ｎ／Ｌ）を共有しており、クランプ手段４の合計数はＮ／Ｌ個である。

５はクランプ手段４に基準電圧（以後ＶＲＥＦと呼ぶ）を供給するための基準電圧供給配線である。６はクランプ手段４に対して基準レベルの供給、非供給を制御する制御信号配線（以後φＣＲと呼ぶ）である。７は共有化している列のうち出力する列を選択する駆動配線群である。駆動配線群７を構成する駆動配線は、ＳＷ−１、ＳＷ−２・・・ＳＷ−Ｌの計Ｌ本である。

次にクランプ手段４の内部構成例について説明する。１０は基準レベル供給手段、１１−１〜Ｌは各列の共通出力線に接続され、信号保持手段として機能するクランプ容量である。画素の出力ノードからの信号が、信号保持手段の入力ノードへ供給される。１２−１〜Ｌは一方の端子がクランプ容量１１−１〜Ｌに接続され、選択手段として機能する選択スイッチである。各信号保持手段に対応して設けられ、信号保持手段に保持された信号を後段の処理回路へ転送する。

基準レベル供給手段１０は増幅回路にて構成されている。具体的には、差動増幅回路１３と、差動増幅回路１３の反転入力端子と出力端子との間にフィードバック経路が構成されている。フィードバック経路にはスイッチ１５が配されている。フィードバック経路と並列に設けられた電気経路にはフィードバック容量１４が配されている。選択スイッチ１２−１〜Ｌは、駆動配線ＳＷ−１〜Ｌによって制御され、選択されたクランプ容量１１−１〜Ｌの信号を、共通に接続された差動増幅回路１３の反転入力端子に出力する。基準電圧ＶＲＥＦは各差動増幅回路１３の正転入力端子に供給されている。なお、基準レベル供給手段１０は、図１４（ｂ）に示したような、増幅機能を持たない単純な構成であっても構わない。基準レベル供給手段は、所定数の信号保持手段ごとに設けられ、選択スイッチを介して信号保持手段の出力ノードに基準レベルを供給する。

図２は画素２の具体的な構成の一例である。２１は光電変換素子、２２は光電変換素子２１で変換、蓄積された信号電荷を、転送信号φＴＸに応じて転送する転送スイッチ、２３は転送されてきた電荷を電圧信号に変換するフローティングディフュージョン部（以後ＦＤ部と呼ぶ）である。２４は少なくともＦＤ部２３にリセット電圧ＶＲＥＳを供給する画素リセットスイッチ、２５はＦＤ部２３の電圧信号を出力する画素ソースフォロワトランジスタ（以後画素ＳＦと呼ぶ）である。２６は出力する行を選択する行選択信号ＶＳＥＬによって開閉される行選択スイッチである。ここでリセット電圧ＶＲＥＳと画素ＳＦ２５のドレイン端子を別電圧としているが、回路のダイナミックレンジに問題が無い範囲であれば、両者は同一電位、同一端子であっても構わない。なお以降では、すべてのスイッチはＮＭＯＳトランジスタであると仮定し、各制御信号がＨｉｇｈレベルの時に導通（ＯＮ）、Ｌｏｗレベルの時に非導通（ＯＦＦ）となることとする。以後、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作だけでなく、制御信号がＨｉｇｈ／Ｌｏｗと動作することも、制御信号がＯＮ／ＯＦＦ動作すると呼ぶ場合がある。

次に図３のタイミングチャートを用いて駆動方法を説明する。なおここでは１行分の動作のみを示すが、実際には各行ごとのＶＳＥＬ電圧がＨｉｇｈとなり、同様の動作が行ごとに繰り返される。

（Ｎクランプ期間）時刻ｔ０〜ｔ２
時刻ｔ０において、φＲＥＳ＝Ｈｉｇｈであり、ＦＤ部２３はリセット電圧ＶＲＥＳに固定されたリセット状態にある。φＣＲパルスがＨｉｇｈに立ち上がり、スイッチ１５が導通することによって、差動増幅回路１３の反転入力端子と出力端子が短絡される。差動増幅回路１３は１倍ゲインモードとなり、正転入力端子と反転入力端子は仮想接地となり、反転入力端子の電圧は基準電圧ＶＲＥＦとなる。なお、ここでは差動増幅回路が持つオフセットは無視して説明する。またこの１倍ゲインモードはクランプ動作を行なう際の基準レベルを出力するモードとしても用いられる。

時刻ｔ１において、φＲＥＳパルスがＬｏｗに立下り、ＦＤ部２３のリセットが解除される。ただしこの時点ではφＴＸパルスはＬｏｗであるため、光電変換素子２１からの信号はまだ転送されず、ＦＤ部２３はリセット状態のままである。この時、画素ＳＦ２５のゲートドレイン間電圧ＶＧＳ分だけシフトした電圧が、共通出力線に画素リセット信号として出力される。

次にＳＷ−１に供給される駆動パルスがＨｉｇｈに立ち上がると、各クランプ手段４に対応した選択スイッチ１２−１が導通状態となり、クランプ容量１１−１の選択スイッチ１２−１側の端子（クランプ容量の出力ノード）がＶＲＥＦに固定される。そして、上述したように、クランプ容量１１−１の他方の端子（クランプ容量の入力ノード）は画素からのリセット信号に固定される。ＳＷ−１に供給される駆動パルスがＬｏｗに立ち下がると、クランプ容量１１−１の出力ノードはフローティング状態となり、リセット信号がホールドされる。この動作をクランプ動作と呼ぶ。以後同様にＳＷ−２、・・・ＳＷ−Ｌと順次動作を繰り返し、各クランプ容量１１にそれぞれの列の画素リセット信号（ＶＮ）がクランプされる。つまり、基準レベル供給手段１０から選択スイッチ１２−１を介して、サンプル容量の出力ノードに基準レベルが供給されている期間中に、画素からの信号をサンプル容量にサンプルホールドするクランプ動作をサンプル容量ごとに複数回に分けて順次行なっている。言い換えると、本実施例においては、同じ差動増幅器１３に接続されている選択スイッチのうち同一時刻においては１つだけをＯＮ／ＯＦＦ動作させている。また、固体撮像装置全体では、同時にＯＮ／ＯＦＦさせる選択スイッチの個数は、Ｎ／Ｌ個に制限される。この方法によりＦＰＮの低減が可能となる。

時刻Ｔ＝ｔ２において、φＣＲパルスがＬｏｗに立下り、差動増幅回路１３は１倍ゲインモードから、増幅ゲインＧ＝（クランプ容量）／（フィードバック容量）に応じて信号を増幅する増幅モードに切り替わる。つまり差動増幅回路１３は、基準レベルを出力するモードと、サンプル容量を入力容量とし、この容量値と、フィードバック容量の容量値との比で増幅率が決定される増幅モードとを切り替えて動作させることが可能な構成である。

ここまでの期間を総称してＮクランプ期間と呼ぶ。

（電荷転送期間）時刻ｔ３〜ｔ４
φＴＸパルスがＨｉｇｈに立ち上がり、光電変換素子２１に蓄積された信号電荷がＦＤ部２３に転送され、ＦＤ部２３の容量値にしたがって電圧信号に変換される。画素リセット時と同様この電圧からＶＧＳだけシフトした電圧が、共通出力線に画素光信号（ＶＳ）として出力される。この時、クランプ容量１１の出力ノードはフローティングであるため、クランプ容量１１の出力ノードはＶＲＥＦ−△ＶＳとなる。ここで△ＶＳ＝ＶＮ−ＶＳとする。その後φＴＸパルスが立ち下がる。

（Ｓ読み出し期間）時刻ｔ４〜ｔ５
φＴＸパルスの立ち下がり後、ＳＷ−１に供給される駆動パルスがＨｉｇｈに立ち上がると、差動増幅回路１３は増幅モードとなっているため、振幅△ＶＳに増幅ゲインＧが掛けられたＧ・△ＶＳの振幅が差動増幅回路１３より出力される。以後同様にＳＷ−２・・・ＳＷ−Ｌと順次動作を繰り返し、各列から出力された画素信号を増幅して出力していく。つまり、サンプル容量を選択する選択動作において、各選択スイッチに導通パルスを順次供給することで、選択されたクランプ容量から信号を順次読み出している。
この期間を総称してＳ読み出し期間と呼ぶ。

（リセット及び蓄積期間）時刻ｔ６〜
φＲＥＳパルスとφＴＸパルスとがＨｉｇｈに立ち上がり、ＦＤ部２３と光電変換素子２１がリセットされる。続いてφＴＸパルスがＬｏｗに立ち下がり、光電変換素子２１において蓄積が開始される。

本実施例のＮクランプ期間中に選択スイッチ１２が順次動作する際において、同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ数を制限することで、電圧変動を抑制することが可能となる。

ところで特許文献１で述べられている固体撮像装置の場合、各サンプルスイッチを構成するトランジスタの閾値ばらつきや、各サンプルスイッチを駆動する駆動パルスを供給する配線のレイアウトの非対称性等により、各駆動配線に付加される寄生容量が異なる。このため、実際の各駆動パルス波形に微妙な差を生じてしまう。配線レイアウトの非対称性が生じる原因としては、入力パッドの位置の違いによる配線長の違いなどが挙げられる。上記の差とは、各駆動パルスの立ち上がりや立ち下がりの傾きといった波形の差や、各駆動パルスの遅延量の差などである。背景技術で述べたように、本来クランプ動作時に各駆動パルスは同様の波形となる必要があるが、実際には波形や遅延量の差によって、クランプ動作時の各サンプルスイッチのホールドタイミングがずれてしまう。

たとえばＭＯＳトランジスタで構成されたスイッチの場合には、ＯＦＦする際に、クロックフィードスルーおよびチャージインジェクション現象によって、ソース，ドレインのノード電圧が変動する。

クランプ動作時の全サンプルスイッチのホールドタイミングが完全に同時である場合、この電圧変動は各サンプル容量に均等に影響を与えるため、各サンプル容量に一律にオフセット成分として重畳される。この一律に重畳されるオフセット成分は、増幅回路、及び後段回路のダイナミックレンジが十分に確保されていれば、大きな問題とはならない。

例えば、特許文献１に記載されている正転入力端子が基準電圧に接続された差動増幅回路を用いた場合、複数のサンプル容量はサンプルスイッチを介して差動増幅回路の反転入力端子に接続されている。反転入力端子の電圧は正転入力端子に対して仮想接地であるために、クランプ動作中のサンプルスイッチのＯＦＦ動作による変動分は、差動増幅回路自身によって基準電圧値に戻される。この現象を図１３を用いて説明する。図１３において、ＳＡＭＰＬＥ１は第１サンプルスイッチに供給されるパルス、ＳＡＭＰＬＥ２は第２サンプルスイッチに供給されるパルス、共通ノードは、差動増幅回路の反転入力端子とサンプル容量の出力ノードが接続されたノードの電位変動を示す。ここで共通としているのは複数のサンプル容量の出力ノードが接続されているためである。

図１３ではＳＡＭＰＬＥ１とＳＡＭＰＬＥ２の駆動パルスの波形がずれている場合を示している。ＳＡＭＰＬＥ１のＯＦＦ動作によって共通ノードの電位変動が発生するが、発生した電位変動は差動増幅回路と共通ノードの寄生素子から決まる時定数に従って基準電圧に戻る。共通ノードの電位が完全に基準電圧に戻る前にＳＡＭＰＬＥ２のＯＦＦ動作が行われると、図に示すように第１と第２のサンプル容量で異なる値がホールドされる。なおサンプルスイッチはＮＭＯＳトランジスタと仮定し、その電位変動もマイナス側に発生するものとして説明した。また両駆動パルスの立ち下がりは理想的に垂直であり、遅延のみが発生しているものとする。このサンプル容量ごとに異なるオフセットは、ＦＰＮ(固定パターンノイズ)として増幅手段から増幅されて出力される。ＦＰＮは、固体撮像装置の画質を悪化させる。また、駆動配線には、駆動パルスの生成回路が設けられており、生成回路から１列分遠ざかるごとに、サンプルスイッチの入力容量と列ピッチ分の配線容量と配線抵抗が、駆動配線に対して負荷容量として増加していく。分布定数的に容量と抵抗が徐々に追加されていくため、生成回路から近い領域における駆動パルス波形と比較して、遠い領域における駆動パルス波形は、より遅延し、かつ鈍った波形形状となる。従って駆動パルスは、生成回路から近い領域ほど早くホールドされ、遠い領域ほど遅れてホールドされる。つまり１列目を起点としたシェーディング形状としてのＦＰＮが重畳されることとなる。

共通ノード及び基準電圧ＶＲＥＦの変動を抑制する場合には、選択スイッチ１２−１のＯＦＦ動作で発生した共通ノードと基準電圧ＶＲＥＦの電圧変動が収まり理想の電圧値まで戻った後に、次のＳＷ−２に駆動パルスを供給すればよい。このように制御すれば、前の選択スイッチ１２−１の動作が引き起こした電圧変動による影響を受けることなく、クランプ容量１１−２においてクランプ動作を行うことが可能となる。つまり、順次動作する駆動パルスの間隔を一定時間以上あけることで、ＦＰＮの発生をさらに抑制することが可能となる。この一定期間は基準電圧ＶＲＥＦの配線とその電圧源から決まる時定数、及び各差動増幅回路１３の持つ時定数に依存して決まる。たとえば、基準電圧ＶＲＥＦの配線寄生容量１０ｎＦ、電圧源の駆動電流１００μＡ、電圧変動量１０ｍＶと仮定した場合、〜選択信号の間隔を１μ秒程度以上である。

図４は別の駆動方法を示すタイミングチャートである。構成、制御信号等は図１と同じであり、説明を省略する。図３の駆動タイミングと異なるのは、クランプ期間中の選択スイッチに供給される駆動パルスだけであるため、Ｎクランプ期間に絞って説明する。時刻ｔ１までの動作は同じである。φＣＲパルスがＨｉｇｈに立ち上がった後、ＳＷ−１とＳＷ−２が同時にＯＮ／ＯＦＦ動作を行い、クランプ容量１１−１及び１１−２で、画素からの信号がクランプされる。以後２本の駆動配線により供給される駆動パルスにより２つの信号保持手段が同時にクランプ動作を行う。２以上の組で同時動作させることも可能である。つまり、クランプ動作期間中に、選択スイッチに供給する導通パルスの立ち下げを、複数の選択スイッチごとに複数回に分けて順次行なっている。各選択スイッチの組におけるオフセット量を極力均一にするためには、組にする数は、全組で同じであることがより望ましく、従ってＬの約数であることが望ましい。

複数の選択スイッチを同時に動作させることで、Ｎクランプ期間の時間を短縮することが可能である。

本実施例においてよりＦＰＮを低減するために、例えば基準電圧ＶＲＥＦの対地容量を大きくしたりあるいは追加したり、基準電圧の変動をより短時間で戻すよう駆動力の大きい基準電圧源を使用することで、基準電圧ＶＲＥＦの変動量を抑制することは有効である。固体撮像装置が搭載されるシステムの許容するＦＰＮレベルと、要求される読み出し時間に応じて、駆動方法や追加対策を選択することが必要である。

以上説明したように、本発明の第１の実施例においては、クランプ動作において同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ数を制限することによって、ＦＰＮの低減を実現できる固体撮像装置の駆動方法を得ることが可能となる。また順次動作する選択スイッチの間隔を一定時間以上あけることで、ＦＰＮの発生をさらに抑制することが可能となる。

（第２の実施例）
図５は本発明の第２の実施例の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。構成、制御信号等は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。異なるのはＮクランプ期間中の選択信号の動作だけである。時刻ｔ１までの動作は同じである。φＣＲパルスがＨｉｇｈに立ち上がった後、全てのＳＷ−１〜Ｌに供給する駆動パルスが同時に立ち上がる。次にＳＷ−１に供給される駆動パルスがＬｏｗに立ち下がり、クランプ容量１１−１に画素リセット信号がホールドされる。以後同様にＳＷ−２・・・ＳＷ−Ｌに供給される駆動パルスが順次立ち下がり、各クランプ容量にそれぞれの列の画素リセット信号（ＶＮ）がクランプされる。つまり、クランプ動作期間中に選択スイッチに供給される導通パルスは、全ての選択スイッチに対して同時に立ち上げ、選択スイッチごとに順次立ち下げる。

これまでに述べたようにＦＰＮを引き起こす電圧変動は、クランプ動作のうち、選択スイッチに供給する駆動パルスの立ち下がりのタイミングの違いが原因である。また選択スイッチに供給される駆動パルスのＨｉｇｈ期間、つまりサンプル動作時は、クランプ容量の入力、出力ノード、及び基準電圧ＶＲＥＦが安定していれば、信号を正常にサンプルできるので、次のホールド動作に移ることができる。図５に示したように全ての選択信号ＳＷ−１〜Ｌに供給される駆動パルスを同時にＨｉｇｈに立ち上げ、所定期間経過後、ＳＷ−１に供給される駆動パルスをＬｏｗに立ち下げ、画素リセット信号がホールドされる。この所定期間とは、クランプ容量の入力、出力ノード、及び基準電圧ＶＲＥＦが安定する期間とするのがよい。その後、ＳＷ−１に供給される駆動パルスの立ち下がり動作で発生した、サンプル容量の出力ノードと基準電圧ＶＲＥＦの電圧変動が収まる。そして、理想の電圧値まで戻った後に、次の駆動配線であるＳＷ−２に供給する駆動パルスの立ち下がり動作を行うように制御するのがよい。このように制御すれば、前の選択スイッチに供給された駆動パルスが引き起こした電圧変動による影響を受けることなく、ホールド動作を行うことができる。完全に収まっていなくても電圧変動の影響が小さくなっていればよい。つまり、順次ホールド動作する選択スイッチに供給される駆動パルスの立ち下り間隔を一定時間以上あけることで、ＦＰＮの発生を抑制することが可能となる。この一定時間は基準電圧ＶＲＥＦの配線とその電圧源から決まる時定数、及び各差動増幅回路１３の持つ時定数に依存して決めることができる。

本実施例によれば、第１の実施例と比較して、更に、Ｎクランプ期間の時間を削減することが可能となる。これは撮像動作の高速化に繋がる。

図６は第２の実施例の別の駆動方法を示すタイミングチャートである。構成、制御信号等は図１と同様であり、その説明を省略する。この駆動方法においては、クランプ動作期間中に、全ての選択スイッチに対する駆動パルスを同時に立ち上げ、複数の選択スイッチごとに駆動パルスを順次立ち下げることでホールド動作を行う。このように駆動することで、ＦＰＮの低減効果は制限され、且つ、全体の信号読み出し期間をさらに短縮することが可能となる。

（第３の実施例）
図７に本発明の第３の実施例の固体撮像装置の構成例を示す。第１の実施例の図１と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。１０１はＭ行×Ｎ列の画素アレイであり、図１の画素アレイ１と異なり、各画素に対応して出力線が設けられており、それぞれの出力線に個別に電流源３−１−１〜３−Ｎ−Ｍが設けられている。１０４−１〜Ｎはクランプ手段であり、図１のクランプ手段４とは異なり、Ｍ行分の画素からの出力線で共有されており、Ｍ行×Ｎ列の固体撮像装置では、Ｎ個のクランプ手段を持つ。クランプ手段１０４の内部構成は図１に示したものと同じである。異なるのはクランプ容量１１及び選択スイッチ１２の個数がＬ個ではなく、画素アレイの行数と同じＭ個である点である。したがって選択信号群１０７の本数もＬ本ではなく、Ｍ本となり、行数と同じ数となる。このような構成は、複数の異なる分光特性を持つカラーラインセンサにおいて用いられる場合がある。カラーラインセンサは、複数行の画素を持つが、１行ずつ読み出すエリアセンサと異なる点として、全画素から同時かつ一括で読み出し可能な点である。

画素アレイ１０１を構成する画素１０２の内部構成は、図示しないが、図２と同様である。図２と同様の構成を用いてもよいし、行選択スイッチ２６を設けない構成とすることも可能である。

図８に本実施例の駆動方法を示すタイミングチャートである。図３との違いは選択信号の本数であり、ＳＷ−１〜Ｍとなる。その具体的な動作は図３で示したものと同一であり、説明を省略する。

また本実施例の別の駆動方法として、図示しないが、図５と同様にＮクランプ期間中の駆動配線ＳＷ−１〜Ｍに供給される駆動パルスの立ち上がりを同時に行い、立ち下がりのホールド動作を順次行う構成もある。

また別の駆動方法として、図示しないが図４或いは図６と同様に、任意の数で駆動パルスを組にしてクランプ動作させる構成もある。

また第１及び第２の実施例と同様に、Ｎクランプ期間中の駆動パルスの順次動作に一定間隔をあけることで、ＦＰＮの発生を更に抑制することができる。

以上説明したように、第３の実施例においては、全画素同時かつ一括で読み出す構成においても、クランプ動作において同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ数を制限することによって、ＦＰＮの低減を実現できる固体撮像装置の駆動方法を得ることができる。また順次動作する駆動パルスの間隔を一定時間以上あけることで、ＦＰＮの発生をさらに抑制することが可能となる。

（第４の実施例）
本発明の第４の実施例の固体撮像装置の構成例を図９に示す。図１と共通の構成については、同一の番号を付して説明を省略する。図９において、図１と異なるのは駆動配線群２０７の本数とクランプ手段４−１〜４−Ｎへの接続関係である。駆動配線の本数は図１のＬ本から２Ｌ本となっている。また、画素アレイ１を２つの領域に分け、一方の領域の列が接続されているクランプ手段４には駆動配線ＳＷ−１〜Ｌが、他方の領域の列が接続されているクランプ手段４には駆動配線ＳＷ２−１〜Ｌが接続されている。上記画素アレイの領域分けは画素アレイの中心で左右に分割しても良いし、１列ごと交互に領域分けをしても構わない。また本構成例では２分割しているが、任意の数で分割しても構わない。この場合、駆動配線の本数も任意の分割数の倍数となる。ここでは、左右で２分割し、左半分を第１群、右半分を第２群として説明する。

２１０−１〜２１０−Ｎはクランプ手段４−１〜４−Ｎの出力信号を保持するメモリ手段である。２１１は第１群及び第２群のメモリ手段２１０へのサンプルホールド動作を制御するメモリ制御信号線（以後第１群のメモリ制御信号をφＣＴ１、同第２群をφＣＴ２と呼ぶ）である。２１２−１〜２１２−Ｎは各メモリ手段２１０−１〜２１０−Ｎに保持された信号の読み出しを制御するシフトレジスタである。２１３は水平出力線、２１４−１〜２１４−Ｎはシフトレジスタ２１２からの制御信号を受けて水平出力線２１３へメモリ手段に保持された信号を読み出すための読み出しスイッチである。２１５は水平出力線の信号を増幅し出力する出力回路である。

図９に示した固体撮像装置の駆動方法について、図１０のタイミングチャートを元に説明する。

（Ｎクランプ期間）時刻ｔ２０〜ｔ２２
Ｎクランプ期間中に同時動作する駆動配線の組はＳＷ−１とＳＷ２−１、ＳＷ−２とＳＷ２−２、・・・ＳＷ−ＬとＳＷ２−Ｌとなる。このように構成することで、１つの基準レベル供給手段１０に着目した場合、同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ１２は１つとなる。第３の実施例において、Ｎクランプ期間中に同時動作する駆動配線の組を作った場合、１つのクランプ手段４において同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチが複数個となる。このため、ＦＰＮが大きくなる場合があるが、本実施例のように異なる群の選択スイッチを同時に駆動することで、このような弊害を抑制することができる。

また第１〜第３の実施例と同様に、Ｎクランプ期間中の駆動配線の順次動作に一定間隔をあけることで、ＦＰＮの発生を更に抑制することができる。

（Ｓ読み出し期間）時刻ｔ２２〜ｔ２９
次にＳ読み出し期間について説明する。第３の実施例までは、クランプ手段からの出力までの動作説明であった。本実施例ではその後の動作も含めて説明するため、各クランプ手段１１から差動増幅回路１３を介してメモリ手段２１０−１〜２１０−Ｎへの書き込みまでを垂直転送期間とする。そして、メモリ手段２１０−１〜２１０−Ｎから水平出力線２１３を介して出力回路２１５からの出力までは水平転送期間、に分けて説明する。時刻ｔ２２〜ｔ２３の電荷転送期間については第３の実施例までと同じ動作であるため、説明を省略する。

（１回目の第１群垂直転送期間）時刻ｔ２３〜ｔ２４
ＳＷ−１に供給される駆動パルスがＨｉｇｈに立ち上がることで、第１群の各クランプ手段４のクランプ容量１１−１に保持された画素信号が差動増幅回路１３から出力される。同時にφＣＴ１に供給されるパルスをＨｉｇｈに立ち上げておくことで、差動増幅回路１３の出力信号が第１群のメモリ手段２１０−１に書き込まれる。次にＳＷ−１とφＣＴ１に供給されるパルスをＬｏｗに立ち下げることで、メモリ手段２１０−１の保持値が確定される。ここでφＣＴ１とＳＷ−１に供給されるパルスの立ち上がりの時間的前後関係は任意であって構わない。また両パルスの立ち下りの関係に関しては、任意であっても良い。しかし選択スイッチ１２−１のＯＮ／ＯＦＦ動作の電位変動が出力信号に与える影響を考慮に入れるのであれば、φＣＴ１に供給されるパルスがＳＷ−１２供給されるパルスより後で立ち下がる方が望ましい。以降、他のサンプル信号とφＣＴ１或いはφＣＴ２に供給されるパルスの立ち上がり、立ち下がりの時間的関係についても同様である。

（１回目の第２群垂直転送及び１回目の第１群水平転送期間）時刻ｔ２４〜ｔ２５
ＳＷ−（Ｌ＋１）及びφＣＴ２がＯＮ／ＯＦＦ動作することで、第２群のクランプ容量１１−１の信号値がメモリ手段２１０−１に書き込まれる。同じ期間に第１群のシフトレジスタ２１２からのシフトクロックに応じて、第１群のメモリ手段２１０−１から水平出力線に信号が読み出され、出力回路２１５を介して出力される。ここで図１０においてシフトクロックはφＳＲとして表現されている。

（２回目の第１群の垂直転送及び１回目の第２群の水平転送期間）時刻ｔ２５〜ｔ２６
ＳＷ−２及びφＣＴ１がＯＮ／ＯＦＦ動作することで、第１群のクランプ容量１１−２の信号値がメモリ手段２１０−２に書き込まれる。また第２群のシフトレジスタのシフトクロックに応じて、第２群のメモリ手段２１０−２に保持された信号が読み出される。ここで第１群の最後のシフトクロックと第２群のシフトクロックの間隔をあけないよう制御する。以後、時刻ｔ２７以降においても、垂直転送と水平転送を同時に行うことで全画素の信号が読み出される。

第１〜第３の実施例で説明した駆動方法において水平読み出しまで行うことを考えると、必ず各垂直転送の後に対応する水平読み出しを行う必要がある。したがって水平読み出しを途中で停止して、その間に次の垂直転送を行うこととなり、総読み出し時間が長くなってしまうという問題があった。本実施例のように駆動することで、水平読み出しを連続的に行うことができ、かつＮクランプ期間中に発生するＦＰＮも抑制することが可能となる。本例ではＮクランプ期間中の駆動配線のＯＮ／ＯＦＦ動作は２本ずつ同時に行われているが、１本ずつであっても、３本以上ずつ同時であっても構わない。

本実施例の別の一例として、第３の実施例と同様に、全画素一括で読み出す必要のあるラインセンサであっても同様の駆動を行うことが可能である。

以上説明したように、本発明の第４の実施例においては、画素領域を２つ以上の領域に分けて交互に読み出すことで、水平転送期間に余分な間隔をあけることなく画素信号を読み出すことができる。また２本以上組にして同時にクランプ動作させる場合においても、一つのクランプ手段においては同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチを一つにできるため、画素領域を分けずに読み出す場合と比較して更にＦＰＮを抑えることができる。

（第５の実施例）
図１１は、第１の実施例から第４の実施例のすべてにおいて、図２の回路と置き換えることのできる画素の別の構成例を示したものである。図２と異なるのは転送スイッチ２２が無い点である。光電変換素子２１で発生した電荷は、光電変換素子２１とリセットスイッチ２４と画素ＳＦ２５と配線から決まる寄生容量にしたがって電圧に変換され、画素ＳＦ２５を介して出力線から出力される。ここでは一例として図１で示した第１の実施例に適用した場合について説明する。他の実施例についての説明はここでは省略する。本実施例における固体撮像装置の駆動方法を、図１２に示したタイミングチャートを用いて説明する。

（Ｓクランプ期間）時刻ｔ１０〜ｔ１１
時刻ｔ１０において、φＣＲに供給されるパルスがＨｉｇｈに立ち上がり、差動増幅回路１３は１倍ゲインモードとなり、反転入力端子の電圧は基準電圧ＶＲＥＦとなる。

各列において画素ＳＦ２５と共通出力線を介して、画素光信号（ＶＳ）が、各クランプ容量１１の入力ノードに供給されている。ＳＷ−１に供給されるパルスがＨｉｇｈに立ち上がると、クランプ容量１１−１の入力ノードはＶＲＥＦに固定される。ＳＷ−１に供給される駆動パルスがＬｏｗに立ち下がることで、クランプ容量１１−１におけるクランプ動作が完了する。以後同様にＳＷ−２、・・・ＳＷ−Ｌと順次動作を繰り返し、各クランプ容量１１にそれぞれの列の画素光信号（ＶＳ）がクランプされる。

時刻ｔ１１において、φＣＲに供給されるパルスがＬｏｗに立ち下がり、差動増幅回路１３は増幅モードに切り替わる。ここまでの期間を総称してＳクランプ期間と呼ぶ。

本実施例で示した画素構成で信号読み出しを行う場合、Ｓクランプ期間中に同時にＯＮ／ＯＦＦ動作する選択スイッチ数がＦＰＮの大きさを左右する。ここで示したように、同時に動作する選択スイッチ数をＮ／Ｌ個に制限することで、ＦＰＮの低減を図っている。

（リセット及びＮ読み出し期間）時刻ｔ１２〜ｔ１５
時刻ｔ１２において、φＲＥＳに供給されるパルスがＨｉｇｈに立ち上がり、光電変換素子２１はリセットされる。各列において画素ＳＦ２５と共通出力線を介して、画素リセット信号（ＶＮ）が各クランプ容量１１の入力ノードに供給される。この時、クランプ容量１１の出力ノードはフローティングであるため、クランプ容量１１の出力ノードはＶＲＥＦ−△ＶＮとなる。ここで△ＶＮ＝ＶＳ−ＶＮとする。

時刻ｔ１３において、ＳＷ−１に供給される駆動パルスがＨｉｇｈに立ち上がると、差動増幅回路１３は増幅モードとなっているため、振幅△ＶＮに増幅ゲインＧが掛けられたＧ・△ＶＮの振幅が差動増幅回路より出力される。以後同様にＳＷ−２・・・ＳＷ−Ｌと順次動作を繰り返し、各列から出力された画素信号を増幅して出力していく。時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間を総称してＮ読み出し期間と呼ぶ。

時刻ｔ１５において、φＲＥＳに供給されるパルスがＬｏｗに立ち下がり、光電変換素子２１において蓄積が開始される。

第１の実施例と同様に、Ｓクランプ期間中の選択スイッチ１２の順次動作の間隔を一定時間以上あけることで、ＦＰＮの発生をさらに抑制することが可能である。また同様に任意の選択信号の組を同時に動作させることで、Ｓクランプ期間の時間を短縮することも可能である。

以上説明したように、本発明の第５の実施例においては、別の画素構成においても、第１〜第４の実施例で示した内容と同じ効果をもつ固体撮像装置の駆動方法を実現することができる。

本発明の第１の実施例の固体撮像装置の構成例である。 画素の構成例である。 本発明の第１の実施例の固体撮像装置の駆動方法である。 本発明の第１の実施例の別の固体撮像装置の駆動方法である。 本発明の第２の実施例の固体撮像装置の駆動方法である。 本発明の第２の実施例の別の固体撮像装置の駆動方法である。 本発明の第３の実施例の固体撮像装置の構成例である。 本発明の第３の実施例の固体撮像装置の駆動方法である。 本発明の第４の実施例の固体撮像装置の構成例である。 本発明の第４の実施例の固体撮像装置の駆動方法である。 画素の別の構成例である。 本発明の第５の実施例の固体撮像装置の駆動方法である。 課題の発生原因を示す図である。 増幅手段の回路図及び、増幅回路のない回路図である。

符号の説明

２ 画素
４ クランプ手段
７ 駆動配線群
１０ 基準レベル供給手段
１１ クランプ容量
１２ 選択スイッチ
１３ 差動増幅回路
１４ フィードバック容量
１０４ クランプ手段

Claims (6)

1. 画素の出力ノードからの信号が入力ノードへ供給される、複数の信号保持手段と、
   各々が、各信号保持手段に対応して設けられ、前記信号保持手段に保持された信号を転送する、複数の選択手段と、
   所定数の前記信号保持手段ごとに設けられ、前記選択手段を介して前記信号保持手段の出力ノードに基準レベルを供給する、複数の基準レベル供給手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の選択手段の各々はトランジスタを有し、
   前記基準レベル供給手段から前記トランジスタを介して、前記信号保持手段の出力ノードに前記基準レベルが供給されている期間中に、前記画素からの信号を前記信号保持手段にサンプル及びホールドするクランプ動作において、前記トランジスタに供給する導通パルスの立ち下げを、前記トランジスタごともしくは複数の前記トランジスタごとに、複数回に分けて順次行い、
   前記選択手段により、前記信号保持手段を選択する選択動作において、各前記トランジスタに導通パルスを順次供給することで、選択された前記信号保持手段から信号を順次読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記クランプ動作期間中に前記トランジスタに供給される駆動パルスは、
   全ての前記トランジスタに対して同時に立ち上げられ、前記トランジスタごともしくは複数のトランジスタごとに順次立ち下げられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 前記基準レベル供給手段は増幅回路により構成され、
   前記増幅回路は、
   反転入力端子と、正転入力端子と、出力端子とを有する差動増幅回路であり、前記反転入力端子に前記選択手段を介して前記信号保持手段からの信号が供給され、前記正転入力端子に基準電圧が供給されており、前記反転入力端子と前記出力端子との間にフィードバック経路が構成されており、
   前記フィードバック経路を介して前記出力端子からの信号を前記反転入力端子に供給した状態で、前記トランジスタを導通させることにより、前記信号保持手段において前記画素からの信号のクランプ動作を行なうことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記増幅回路は、
   前記クランプ動作を行なう際の基準レベルを出力するモードと、
   前記信号保持手段を入力容量とし、前記信号保持手段の容量値と、前記フィードバック経路と並列に設けられた電気経路に配されたフィードバック容量の容量値との比で増幅率が決定される増幅モードと、を切り替えて動作することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記クランプ動作期間中に、前記画素から出力される信号はリセット信号であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記クランプ動作の後に、前記画素から入射光に応じた信号が、前記信号保持手段の入力ノードに供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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