JP5340643B2

JP5340643B2 - 固体撮像装置

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Inventors: 亨近藤
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Description

この発明は、列毎に増幅手段を持つ固体撮像素子を用いた固体撮像装置及びカメラシステムに関する。

近年、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として、ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor ：金属酸化膜半導体）型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。

特開２００３−５１９８９号公報に記載されている従来のＭＯＳ型イメージセンサにおける画素信号の読み出し回路の構成例を図５に示す。このＭＯＳ型イメージセンサは、行列状（図示例では２行２列）に配列された画素11〜22と、画素11〜22に読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素11〜22からの信号を伝送する垂直信号線３-1〜３-2と、垂直信号線３-1〜３-2に定電流を流すバイアス用トランジスタＭ５と、垂直信号線３-1〜３-2の電位を増幅する列増幅部４-1〜４-2と、列増幅部４-1〜４-2の出力に含まれるノイズを除去するためのノイズ抑圧部５-1〜５-2と、ノイズ抑圧部５-1〜５-2から選択的に水平信号線７-1，７-2へ信号を出力するための列選択トランジスタＭ10，Ｍ11と、列選択トランジスタＭ10，Ｍ11へパルスを供給する水平走査部６と、水平信号線７-1，７-2からの信号を増幅して出力する出力アンプ８と、垂直走査部２，列増幅部４-1〜４-2，ノイズ抑圧部５-1〜５-2及び水平走査部６へ制御信号を供給するタイミング制御部９とから構成されている。

画素11〜22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と、転送された電気信号を増幅する増幅トランジスタＭ３と、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と、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φＴＸ１，φＴＸ２、リセットパルスφＲＳＴ１，φＲＳＴ２、行選択パルスφＲＯＷ１，φＲＯＷ２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。

列増幅部４-1〜４-2は、それぞれ、画素11〜22からの信号を増幅するためのゲインアンプＡＭＰと、ゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子と垂直信号線３-1又は３-2の間に接続され、画素11〜22からの出力をクランプ電位ＶＣでクランプするためのクランプ容量Ｃc と、クランプ電位ＶＣをゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子に供給するクランプトランジスタＭ６と、ゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に接続された帰還容量Ｃf 及びアンプリセットトランジスタＭ７と、ゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と接地電位間に接続された増幅用容量Ｃg とからなり、クランプトランジスタＭ６及びアンプリセットトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬ１が入力されるようになっている。

ノイズ抑圧部５-1，５-2は、列増幅部４-1，４-2からのリセット電位を保持するリセットサンプル容量Ｃn と、列増幅部４-1，４-2の出力とリセットサンプル容量Ｃn とを接続するリセットサンプルトランジスタＭ９と、列増幅部４-1，４-2からの信号電位を保持する信号サンプル容量Ｃs と、列増幅部４-1，４-2の出力と信号サンプル容量Ｃs とを接続する信号サンプルトランジスタＭ８とから構成され、信号サンプルトランジスタＭ８のゲートには信号サンプルパルスφＨＳが、リセットサンプルトランジスタＭ９のゲートにはリセットサンプルパルスφＨＮが入力されるようになっている。

図６は、図５に示す従来例の動作を示すタイミング図である。まず垂直走査部２により第１行の画素11，12の読み出し動作が可能となり、行選択パルスφＲＯＷ１＝Ｈにより行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を垂直信号線３-1，３-2へ読み出す。次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝ＨによりリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲートをリセット電位にリセットし、画素11，12のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３-1，３-2に読み出す。このときクランプパルスφＣＬ１＝Ｈとし、列増幅部４-1，４-2のアンプリセットトランジスタＭ７をＯＮ状態として列増幅部４-1，４-2をリセットすると共に、クランプトランジスタＭ６をＯＮ状態としてゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子をクランプ電位ＶＣにクランプする。

次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝Ｌとした後、クランプパルスφＣＬ１＝Ｌとしクランプを終了し、リセットサンプルパルスφＨＮ＝Ｈとして列増幅部４-1，４-2のリセット信号をそれぞれリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ＝Ｌとし、リセット信号を保持する。次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｈとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を増幅トランジスタＭ３のゲートへ転送する。垂直信号線３-1，３-2には光信号に伴う電気信号の増幅信号が出力され、ゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子はクランプ容量Ｃc により画素11，12のリセット電位から光信号に伴う電気信号による変化分ΔＳig１，ΔＳig２だけ変化する。このとき、列増幅部４-1，４-2の出力は、列増幅部４-1，４-2のリセット信号に対し、それぞれ（１＋Ｃg ／Ｃf ）ΔＳig１，（１＋Ｃg ／Ｃf ）ΔＳig２だけ変化する。次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｌとした後、信号サンプルパルスφＨＳ＝Ｈとして列増幅部４-1，４-2からの読み出し信号を信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ＝Ｌとし保持する。

最後に水平走査部６により信号サンプル容量Ｃs 及びリセットサンプル容量Ｃn に保持された信号を、それぞれ水平信号線７-1，７-2に順次読み出し、出力アンプ８で差分して出力する。列増幅部４-1，４-2のリセット信号及び読み出し信号には、列増幅部４-1，４-2に起因するオフセットノイズが含まれるため、出力アンプ８での差分動作によりフォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号ΔＳigだけを取り出すことができる。また列増幅部４-1，４-2により電気信号ΔＳigを（１＋Ｃg ／Ｃf ）倍することで、列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズを低減することを可能としている。
特開２００３−５１９８９号公報

上記従来例に係るＭＯＳ型イメージセンサでは、容量比（Ｃg ／Ｃf ）を調節することで増幅率を決めている。増幅率に関してフォトダイオードＰＤで発生する光信号が大きいときには低倍率とし、フォトダイオードＰＤで発生する光信号が小さいときには高倍率とすることが望ましい。したがって、上記従来例に係るＭＯＳ型イメージセンサでは、大きな増幅率を得るためには大きな容量（Ｃg ）が必要となり、チップ面積が増大してしまうという課題がある。

本発明は、従来の固体撮像装置における上記課題を解決するためになされたもので、チップ面積の増大を抑えつつ、高増幅率を実現できる列増幅部を備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、光電変換部と前記光電変換部の出力を増幅して画素信号を出力する増幅部とを含んだ画素が行列方向に２次元的に配置された画素部と、前記画素部の列毎に設けられ、前記画素の増幅部からの画素信号が出力される列信号線と、第１の入力端子に前記列信号線の一端が第１のスイッチ素子を介して接続され、第２の入力端子に、前記画素信号を増幅する増幅率を設定する負荷手段が第２のスイッチ素子を介して接続された列増幅部と、異なる複数列の各々の前記負荷手段同士を接続し、前記増幅率を変化させる第３のスイッチ素子と、前記第１，第２及び第３のスイッチ素子による接続及び遮断を制御する制御手段とを有して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、前記制御手段は、前記第３のスイッチ素子により異なる複数列の前記負荷手段同士を接続し、前記接続された異なる複数列に対して、前記画素信号の取得対象列に係る前記列増幅部内の前記第１及び第２のスイッチの接続と、非取得対象列に係る前記列増幅部内の前記第１及び第２のスイッチの遮断とを、前記画素信号の取得対象列と非取得対象列とを順次移行させながら行う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又は２に係る固体撮像装置において、前記負荷手段は容量又は抵抗であ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１〜３のいずれか１項に係る固体撮像装置と、前記固体撮像装置の制御手段に撮影条件に応じた制御動作を設定するための入力部とを備えてカメラシステムを構成するものである。

請求項１に係る発明によれば、前記列増幅部の増幅率を決める負荷手段を複数列にわたり接続し併用して増幅率を変化させることで、別個の負荷手段を追加することなく、したがってチップ面積の増大なしに高増幅率の列増幅部を備えた固体撮像装置を実現することが可能となる。また請求項２に係る発明によれば、行信号読み出し中に、前記列増幅部の増幅率を決める負荷手段を複数列にわたり接続し、その接続状態を順次切り換えることで、別個の負荷手段を追加することなく高増幅率の列増幅部を実現することが可能となる。また請求項３に係る発明によれば、前記列増幅部の増幅率を決める容量又は抵抗を複数列にわたり接続し、その接続状態を切り換えることで、別個の容量又は抵抗を追加することなく高増幅率の列増幅部を実現することが可能となる。また請求項４に係る発明によれば、固体撮像装置を用いたカメラシステムにおいて、列増幅部の増幅率を撮影条件に応じて切り換えることができる。

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、実施例１について説明する。図１は、本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を一部ブロックで示す回路構成図である。行列状（ここでは２行２列）に配列された画素11〜22と、画素11〜22に読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素11〜22からの信号を伝送する垂直信号線３-1〜３-2と、垂直信号線３-1〜３-2に定電流を流すバイアス用トランジスタＭ５と、垂直信号線３-1〜３-2の電位を増幅する列増幅部４-1〜４-2と、垂直信号線３-1〜３-2と、列増幅部４-1〜４-2の出力に含まれるノイズを除去するためのノイズ抑圧部５-1〜５-2と、ノイズ抑圧部５-1〜５-2から選択的に水平信号線７-1，７-2へ信号を出力するための列選択トランジスタＭ10，Ｍ11と、列選択トランジスタＭ10，Ｍ11へパルスを供給する水平走査部６と、水平信号線７-1，７-2からの信号を増幅して出力する出力アンプ８と、垂直走査部２，列増幅部４-1〜４-2，ノイズ抑圧部５-1〜５-2及び水平走査部６へ制御信号を供給するタイミング制御部９とから構成されている。

画素部11〜22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と、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と、転送された電気信号を増幅する増幅トランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ３のゲートを電極等の電位をリセットするリセットトランジスタＭ２と、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φＴＸ１，φＴＸ２、リセットパルスφＲＳＴ１，φＲＳＴ２、行選択パルスφＲＯＷ１，φＲＯＷ２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。

列増幅部４-1，４-2は非反転型で構成したもので、垂直信号線３と列増幅部４-1，４-2の第１の入力端子とをそれぞれ接続する接続スイッチＳＷ１と、画素11〜22からの信号を増幅するためのゲインアンプＡＭＰと、ゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子と接続スイッチＳＷ１との間に接続され、画素11〜22からの出力をクランプ電位ＶＣでクランプするためのクランプ容量Ｃc と、クランプ電位ＶＣをゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子に供給するクランプトランジスタＭ６と、ゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に接続された帰還容量Ｃf 及びアンプリセットトランジスタＭ７と、列増幅部４-1，４-2の第２の入力端子であるゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と接地電位間に接続スイッチＳＷ２を介して接続され列増幅部４-1，４-2の増幅率を設定する増幅用容量Ｃg とから構成されている。そして、１列目の列増幅部４-1のクランプトランジスタＭ６及びアンプリセットトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬ１が入力され、２列目の列増幅部４-2のクランプトランジスタＭ６及びアンプリセットトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬ２が入力されるようになっている。

そして、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ１にはパルスφＳＷ１-1が、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ１にはパルスφＳＷ１-2が入力される。また、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ２にはパルスφＳＷ２-1が、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ２にはパルスφＳＷ２-2が入力される。更に１列目の列増幅部４-1の増幅用容量Ｃg と２列目の列増幅部４-2の増幅用容量Ｃg とを接続する接続スイッチＳＷ３を備え、接続スイッチＳＷ３には制御パルスφＳＷ３が入力される。

ノイズ抑圧部５-1，５-2は、列増幅部４-1，４-2からのリセット電位を保持するリセットサンプル容量Ｃn と、列増幅部４-1，４-2の出力とリセットサンプル容量Ｃn とを接続するリセットサンプルトランジスタＭ９と、列増幅部４-1，４-2からの信号電位を保持する信号サンプル容量Ｃs と、列増幅部４-1，４-2の出力と信号サンプル容量Ｃs とを接続する信号サンプルトランジスタＭ８とから構成されている。ノイズ抑圧部５-1の信号サンプルトランジスタＭ８のゲートには信号サンプルパルスφＨＳ１が、リセットサンプルトランジスタＭ９のゲートにはリセットサンプルパルスφＨＮ１が入力され、ノイズ抑圧部５-2の信号サンプルトランジスタＭ８のゲートには信号サンプルパルスφＨＳ２が、リセットサンプルトランジスタＭ９のゲートにはリセットサンプルパルスφＨＮ２が入力される。

図２の（Ａ），（Ｂ）は、図１に示す本発明の実施例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）に示すタイミング図に基づいて通常の読み出しモードの動作について説明する。この動作モードでは、接続スイッチＳＷ１及び接続スイッチＳＷ２はＯＮ状態とし、接続スイッチＳＷ３はＯＦＦ状態としておく。まず垂直走査部２により第１行の画素11，12の読み出し動作が可能となり、行選択パルスφＲＯＷ１＝Ｈにより行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を垂直信号線３-1，３-2へ読み出す。次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝ＨによりリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲートをリセット電位にリセットし、画素11，12のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３-1，３-2に読み出す。このときクランプパルスφＣＬ１＝Ｈ，φＣＬ２＝Ｈとし、列増幅部４-1，４-2のアンプリセットトランジスタＭ７をＯＮ状態として列増幅部４-1，４-2をリセットすると共に、クランプトランジスタＭ６をＯＮ状態としてゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子をクランプ電位ＶＣにクランプする。

次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝Ｌとした後、クランプパルスφＣＬ１＝Ｌ，φＣＬ２＝Ｌとしクランプを終了し、リセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｈ，φＨＮ２＝Ｈとして、列増幅部４-1，４-2のリセット信号をそれぞれリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｌ，φＨＮ２＝Ｌとして保持する。次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｈとして転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を増幅トランジスタＭ３のゲートへ転送する。

垂直信号線３-1，３-2には光信号に伴う電気信号の増幅信号が出力され、ゲインアンプＡＭＰの入力端子は、クランプ容量Ｃc により画素11，12のリセット電位から、光信号に伴う電気信号による変化分ΔＳig１，ΔＳig２だけ変化する。このとき、列増幅部４-1，４-2の出力は、列増幅部４-1，４-2のリセット信号に対し、それぞれ（１＋Ｃg ／Ｃf ）ΔＳig１，（１＋Ｃg ／Ｃf ）ΔＳig２だけ変化する。次に転送パルスφＴＸ１＝Ｌとした後、信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｈ，φＨＳ２＝Ｈとして列増幅部４-1，４-2からの読み出し信号を信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｌ，φＨＳ２＝Ｌとして保持する。

最後に、水平走査部６により信号サンプル容量Ｃs 及びリセットサンプル容量Ｃn に保持された信号を水平信号線７-1，７-2に順次読み出し、出力アンプ８で差分して出力する。列増幅部４-1，４-2のリセット信号及び読み出し信号には、列増幅部４-1，４-2に起因するオフセットノイズが含まれるため、この差分動作によりフォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号ΔＳigだけを取り出すことができる。また列増幅部４-1，４-2により信号ΔＳigを（１＋Ｃg ／Ｃf ）倍することで、列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズを低減することを可能としている。このように図２の（Ａ）に示す通常の読み出し動作モードにおいては従来例と同様の動作となる。

次に、図２の（Ｂ）に示すタイミング図に基づいて、より高倍率の増幅率を実現するゲインブースト読み出しの動作について説明する。この動作モードでは、接続スイッチＳＷ３をＯＮ状態とし、接続スイッチＳＷ１及び接続スイッチＳＷ２は行読み出し中にパルス制御する。まず垂直走査部２により第１行の画素11，12の読み出し動作が可能となり、行選択パルスφＲＯＷ１＝Ｈにより行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を垂直信号線３-1，３-2へ読み出す。次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝ＨによりリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲートをリセット電位にリセットし、画素11，12のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３-1，３-2に読み出す。

このとき、接続制御パルスφＳＷ１-1＝Ｈ，φＳＷ１-2＝Ｈとして、１列目と２列目の接続スイッチＳＷ１は共にＯＮ状態とし、垂直信号線３-1，３-2と列増幅部４-1，４-2を接続状態としておく。更に接続制御パルスφＳＷ２-1＝Ｈ，φＳＷ２-2＝Ｌとし、１列目の接続スイッチＳＷ２はＯＮ状態、２列目の接続スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態とし、１列目の列増幅部４-1の増幅用容量Ｃg に２列目の列増幅部４-2の増幅用容量Ｃg を並列接続すると共に、２列目の列増幅部４-2の増幅容量Ｃg を２列目の列増幅部４-2から電気的に切り離す。そして、クランプパルスφＣＬ１＝Ｈ，φＣＬ２＝Ｈとし、列増幅部４-1，４-2のアンプリセットトランジスタＭ７をＯＮ状態として列増幅部４-1，４-2をリセットすると共に、クランプトランジスタＭ６をＯＮ状態としてゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子をクランプ電位ＶＣにクランプする。

次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝Ｌとした後、クランプパルスφＣＬ１＝Ｌとしてクランプを終了し、リセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｈとして１列目の列増幅部４-1のリセット信号を１列目のノイズ抑圧部５-1のリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｌとして保持する。このときクランプパルスφＣＬ２＝Ｈとして２列目の列増幅部４-2は引き続きリセット状態としておく。次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｈとして転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を増幅トランジスタＭ３のゲートへ転送する。垂直信号線３-1，３-2には光信号に伴う電気信号に基づく増幅信号が出力される。

このとき、接続制御パルスφＳＷ１-1＝Ｈ，φＳＷ１-2＝Ｌとしておき、１列目の接続スイッチＳＷ１はＯＮ状態、２列目の接続スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態とし、１列目の垂直信号線３-1と列増幅部４-1とを接続状態としておき、２列目の垂直信号線３-2と列増幅部４-2は非接続状態としておく。１列目の列増幅部４-1のゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子は、クランプ容量Ｃc により画素11のリセット電位から光信号に伴う電気信号による変化分ΔＳig１だけ変化する。このとき１列目の列増幅部４-1の出力は、列増幅部４-1のリセット信号に対し（１＋２Ｃg ／Ｃf ）ΔＳｉｇ1 だけ変化する。次に、転送パルスφＴＸ1 ＝Ｌとした後、信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｈとして１列目の列増幅部４-1からの読み出し信号を１列目のノイズ抑圧部５-1の信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｌとして保持する。

次に、接続制御パルスφＳＷ２-1＝Ｌ，φＳＷ２-2＝Ｈとして、１列目の接続スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態、２列目の接続スイッチＳＷ２はＯＮ状態とし、２列目の列増幅部４-2の増幅用容量Ｃg に１列目の列増幅部４-1の増幅用容量Ｃg を並列接続し、一方、１列目の列増幅部４-1の増幅容量Ｃg を１列目の列増幅部４-1から電気的に切り離す。そしてクランプパルスφＣＬ２＝Ｌとしてクランプを終了し、リセットサンプルパルスφＨＮ２＝Ｈとして２列目の列増幅部４-2のリセット信号を２列目のノイズ抑圧部５-2のリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ２＝Ｌとして保持する。

次に、接続制御パルスφＳＷ１-2＝Ｈとして、２列目の接続スイッチＳＷ１をＯＮ状態とし、２列目の垂直信号線３-2と列増幅部４-2を接続状態としておく。これにより２列目の列増幅部４-2のゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子は、クランプ容量Ｃc により画素12のリセット電位から光信号に伴う電気信号による変化分ΔＳig２だけ変化する。このとき２列目の列増幅部４-2の出力は、列増幅部４-2のリセット信号に対し、（１＋２Ｃg ／Ｃｆ）ΔＳig２だけ変化する。そして、信号サンプルパルスφＨＳ２＝Ｈとして２列目の列増幅部４-2からの読み出し信号を２列目のノイズ抑圧部５-2の信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ２＝Ｌとして保持する。

最後に、水平走査部６により信号サンプル容量Ｃs 及びリセットサンプル容量Ｃn に保持された信号を水平信号線７-1，７-2に順次読み出し、出力アンプ８で差分して出力する。列増幅部４-1，４-2のリセット信号及び読み出し信号には、列増幅部４-1，４-2に起因するオフセットノイズが含まれるため、この差分動作によりフォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号ΔＳigだけを取り出すことができる。また隣接する列増幅部４-1，４-2の増幅用容量Ｃg を並列接続することにより、信号ΔＳigを（１＋２Ｃg ／Ｃf ）倍することができ、高い増幅率を実現し、列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズを低減することを可能としている。

以上、本実施例によれば、非反転増幅型の列増幅部４-1，４-2において、隣接する列増幅部４-1，４-2の増幅用容量Ｃg を並列接続することにより、新たに容量を追加することなく、列増幅部４-1，４-2の増幅率を従来よりも高く設定することができ、チップ面積を抑圧しつつ列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズの影響をより低減することを可能としている。

（実施例２）
次に実施例２について説明する。図３は、本発明に係る固体撮像装置の実施例２の構成を一部ブッロクで示す回路構成図である。図１に示した実施例１とは、列増幅部４-1，４-2の構成のみが相違するだけで、それ以外の構成は同一であり、図１に示す実施例１と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３に示す実施例２の列増幅部４-1，４-2は反転増幅型で構成したもので、垂直信号線３と列増幅部４-1，４-2の第１の入力端子とをそれぞれ接続する接続スイッチＳＷ１と、画素11〜22からの信号を増幅するためのゲインアンプＡＭＰと、画素11〜22からの出力をクランプするクランプ容量Ｃc と、列増幅部４-1，４-2の第２の入力端子であるゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に、接続スイッチＳＷ４，接続スイッチＳＷ５，接続スイッチＳＷ９を介して接続され、列増幅部４-1，４-2の増幅率を設定する帰還容量Ｃf と、ゲインアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に接続されたアンプリセットトランジスタＭ７とから構成されている。

そして、ゲインアンプＡＭＰの非反転入力端子にはクランプ電位ＶＣが供給され、１列目の列増幅部４-1のアンプリセットトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬ１が入力され、２列目の列増幅部４-2のアンプリセットトランジスタＭ７のゲートにはクランプパルスφＣＬ２が入力される。更に１列目の列増幅部４-1の帰還容量Ｃf と２列目の列増幅部４-2の帰還容量Ｃf とを直列接続するための接続スイッチＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８を備えている。

また、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ１には接続制御パルスφＳＷ１-1が、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ１には接続制御パルスφＳＷ１-2が入力される。１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５には接続制御パルスφＳＷ４-1が入力され、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５には接続制御パルスφＳＷ４-2が入力される。１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ９には接続制御パルスφＳＷ９-1が、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ９には接続制御パルスφＳＷ９-2が入力される。また接続スイッチＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８には、それぞれ接続制御パルスφＳＷ６，φＳＷ７，φＳＷ８が供給される。

図４の（Ａ），（Ｂ）は、図３に示す実施例２の動作を説明するためのタイミング図である。まず図４の（Ａ）のタイミング図に基づいて通常の読み出しモードの動作について説明する。この動作モードでは、接続スイッチＳＷ１及び接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ９はＯＮ状態とし、接続スイッチＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８はＯＦＦ状態としておく。まず垂直走査部２により第１行の画素11，12の読み出し動作が可能となり、行選択パルスφＲＯＷ１＝Ｈにより行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力の垂直信号線３-1，３-2への出力を可能とする。次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝ＨによりリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲートをリセット電位にリセットし、画素11，12のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３-1，３-2に読み出す。

このときクランプパルスφＣＬ１＝Ｈ，φＣＬ２＝Ｈとして、列増幅部４-1，４-2のアンプリセットトランジスタＭ７をＯＮ状態とし、列増幅部４-1，４-2をリセットする。次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝Ｌとした後、クランプパルスφＣＬ１＝Ｌ，φＣＬ２＝Ｌとして列増幅部４-1，４-2のリセットを解除し、リセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｈ，φＨＮ２＝Ｈにより列増幅部４-1，４-2のリセット信号をそれぞれリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｌ，φＨＮ２＝Ｌとして保持する。

次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｈとし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を増幅トランジスタのゲートへ転送する。垂直信号線３-1，３-2には光信号に伴う電気信号の増幅信号が出力され、列増幅部４-1，４-2の出力は列増幅部４-1，４-2のリセット信号に対し、それぞれ、（Ｃc ／Ｃf ）ΔＳig１，（Ｃc ／Ｃf ）ΔＳig２だけ変化する。次に転送パルスφＴＸ１＝Ｌとした後、信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｈ，φＨＳ２＝Ｈとして列増幅部４-1，４-2からの読み出し信号を信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスＨＳ１＝Ｌ，φＨＳ２＝Ｌとして保持する。

最後に、水平走査部６により信号サンプル容量Ｃs 及びリセットサンプル容量Ｃn に保持された信号を水平信号線７-1，７-2に順次読み出し、出力アンプ８で差分して出力する。列増幅部４-1，４-2のリセット信号及び読み出し信号には、列増幅部４-1，４-2に起因するオフセットノイズが含まれるため、この差分動作によりフォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号ΔＳigだけを取り出すことができる。また列増幅部により、信号ΔＳigを（Ｃc ／Ｃf ）倍することで、列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズを低減することを可能としている。

次に、図４の（Ｂ）に示すタイミング図に基づいて、より高倍率の増幅率を実現するゲインブースト読み出しの動作について説明する。この動作モードでは、接続スイッチＳＷ６をＯＮ状態とし、接続スイッチＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ７，ＳＷ８は読み出し中にパルス制御する。まず垂直走査部２により第１行の画素11，12の読み出し動作が可能となり、行選択パルスφＲＯＷ１＝Ｈにより行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を垂直信号線３-1，３-2へ読み出す。次にリセットパルスφＲＳＴ１＝ＨによりリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲートをリセット電位にリセットし、画素11，12のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３-1，３-2に読み出す。

このとき、接続制御パルスφＳＷ１-1＝Ｈ，φＳＷ１-2＝Ｈとしておき、１列目と２列目の接続スイッチＳＷ１は共にＯＮ状態とし、垂直信号線３-1，３-2と列増幅部４-1，４-2を接続状態としておく。更に接続制御パルスφＳＷ４-1＝Ｈ，φＳＷ４-2＝Ｌ，及びφＳＷ９-1＝Ｌ，φＳＷ９-2＝Ｈとし、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５はＯＮ状態、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５はＯＦＦ状態とし、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ９はＯＦＦ状態、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ９はＯＮ状態とし、接続制御パルスφＳＷ６＝Ｈ，φＳＷ７＝Ｌ，φＳＷ８＝Ｈとすることで、１列目列増幅部４-1の帰還容量Ｃf に２列目の列増幅部４-2の帰還容量Ｃf を直列接続すると共に、２列目の列増幅部４-2の帰還容量Ｃf を２列目の列増幅部４-2から電気的に切り離す。また、クランプパルスφＣＬ１＝Ｈ，φＣＬ２＝Ｈとして、列増幅部４-1，４-2のアンプリセットトランジスタＭ７をＯＮ状態とし列増幅部４-1，４-2をリセットする。

次に、リセットパルスφＲＳＴ１＝Ｌとした後、クランプパルスφＣＬ１＝Ｌとして１列目の列増幅部４-1のリセットを解除し、リセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｈにより１列目の列増幅部４-1のリセット信号を１列目のノイズ抑圧部５-1のリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ１＝Ｌとして保持する。このときクランプパルスφＣＬ２＝Ｈとしておき、２列目の列増幅部４-2は引き続きリセット状態としておく。

次に、転送パルスφＴＸ１＝Ｈとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を増幅トランジスタＭ３のゲートへ転送する。垂直信号線３-1，３-2には光信号に伴う電気信号に基づく増幅信号が出力される。このとき、接続制御パルスφＳＷ１-1＝Ｈ，φＳＷ１-2＝Ｌとして１列目の接続スイッチＳＷ１はＯＮ状態、２列目の接続スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態とし、１列目の垂直信号線３-1と列増幅部４-1とを接続状態としておき、一方２列目の垂直信号線３-2と列増幅部４-2は非接続状態としておく。このとき１列目の列増幅部４-1の出力は列増幅部４-1のリセット信号に対し（２Ｃc ／Ｃf ）ΔＳig１だけ変化する。次に転送パルスφＴＸ１＝Ｌとした後、信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｈとして１列目の列増幅部４-1からの読み出し信号を１列目のノイズ抑圧部５-1の信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ１＝Ｌとして保持する。

次に、接続制御パルスφＳＷ４-1＝Ｌ，φＳＷ４-2＝Ｈ，及びφＳＷ９-1＝Ｈ，φＳＷ９-2＝Ｌとして、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５はＯＦＦ状態、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ４，ＳＷ５はＯＮ状態とし、１列目の列増幅部４-1の接続スイッチＳＷ９はＯＮ状態、２列目の列増幅部４-2の接続スイッチＳＷ９はＯＦＦ状態とし、また接続制御パルスφＳＷ６＝Ｈ，φＳＷ７＝Ｈ，φＳＷ８＝Ｌとすることで、２列目列増幅部４-2の帰還容量Ｃf に１列目の列増幅部４-1の帰還容量Ｃf を直列接続すると共に、１列目の列増幅部４-1の帰還容量Ｃf を１列目の列増幅部４-1から電気的に切り離す。次にクランプパルスφＣＬ２＝Ｌとして、２列目の列増幅部４-2のリセットを解除し、リセットサンプルパルスφＨＮ２＝Ｈにより２列目の列増幅部４-2のリセット信号を２列目のノイズ抑圧部５-2のリセットサンプル容量Ｃn に読み出し、次いでリセットサンプルパルスφＨＮ２＝Ｌとして保持する。

次に、接続制御パルスφＳＷ１-2＝Ｈとして、２列目の接続スイッチＳＷ１はＯＮ状態とし、２列目の垂直信号線３-2と列増幅部４-2を接続状態としておく。これにより２列目の列増幅部４-2の出力は、列増幅部４-2のリセット信号に対し（２Ｃc ／Ｃf ）ΔＳig２だけ変化する。そして信号サンプルパルスφＨＳ２＝Ｈとして列増幅部４-2からの読み出し信号を２列目のノイズ抑圧部５-2の信号サンプル容量Ｃs に読み出し、次いで信号サンプルパルスφＨＳ２＝Ｌとして保持する。

最後に、水平走査部６により信号サンプル容量Ｃs 及びリセットサンプル容量Ｃn に保持された信号を水平信号線７-1，７-2に順次読み出し、出力アンプ８で差分して出力する。列増幅部４-1，４-2のリセット信号及び読み出し信号には、列増幅部４-1，４-2に起因するオフセットノイズが含まれるため、この差分動作によりフォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号ΔＳigだけを取り出すことができる。また隣接する列増幅部４-1，４-2の帰還容量Ｃf を直列接続することにより、信号ΔＳigを（２Ｃc ／Ｃf ）倍することができ、高い増幅率を実現し、列増幅部４-1，４-2以降で発生するノイズを低減することを可能としている。

以上、本実施例によれば、反転増幅型の列増幅部４-1，４-2の構成において、隣接する列増幅部４-1，４-2の帰還容量Ｃf を直列接続することにより、別個に容量を追加することなく、列増幅部４-1，４-2の増幅率を従来よりも高く設定することができ、チップ面積を抑圧しつつ列増幅部以降で発生するノイズの影響を、より低減することを可能としている。

以上、実施例１，２について説明してきたが本発明の適用はこれに限られるものではなく、例えば列増幅部の増幅率を設定する負荷を抵抗で構成した場合などでも適用可能である。また、実施例１，２では隣接する２列の列増幅部の負荷の並列あるいは直列接続で増幅率を増大させることについて説明しているが、隣接する２行に限らず、また３列以上の列増幅部の負荷を並列あるいは直列に接続することも可能である。通常読み出しモードとゲインブースト読み出しモードの切り換えは、例えばカメラシステムのＩＳＯ感度などの撮像条件の設定部からの入力設定値に対応させて行うのが望ましい。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を一部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構成を一部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。従来の固体撮像装置の構成例を一部ブロックで示す回路構成図である。図５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。

符号の説明

２垂直走査部
３-1，３-2 垂直信号線
４-1，４-2 列増幅部
５-1，５-2 ノイズ抑圧部
６水平走査部
７-1，７-2 水平信号線
８出力アンプ
９タイミング制御部
11〜22 画素

Claims

光電変換部と該光電変換部の出力を増幅して画素信号を出力する増幅部とを含んだ画素が行列方向に２次元的に配置された画素部と、
前記画素部の列毎に設けられ、前記画素の増幅部からの画素信号が出力される列信号線と、
第１の入力端子に前記列信号線の一端が第１のスイッチ素子を介して接続され、第２の入力端子に、前記画素信号を増幅する増幅率を設定する負荷手段が第２のスイッチ素子を介して接続された列増幅部と、
異なる複数列の各々の前記負荷手段同士を接続し、前記増幅率を変化させる第３のスイッチ素子と、
前記第１，第２及び第３のスイッチ素子による接続及び遮断を制御する制御手段とを有する固体撮像装置。
前記制御手段は、前記第３のスイッチ素子により異なる複数列の前記負荷手段同士を接続し、前記接続された異なる複数列に対して、前記画素信号の取得対象列に係る前記列増幅部内の前記第１及び第２のスイッチの接続と、非取得対象列に係る前記列増幅部内の前記第１及び第２のスイッチの遮断とを、前記画素信号の取得対象列と非取得対象列とを順次移行させながら行うことを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
前記負荷手段は、容量又は抵抗であることを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
請求項１〜３のいずれか１項に係る固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の制御手段に撮影条件に応じた制御動作を設定するための入力部とを備えたカメラシステム。