JP5460248B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type solid-state imaging device.
従来の固体撮像素子について図11を参照しながら説明する。 A conventional solid-state imaging device will be described with reference to FIG.
図11は従来の固体撮像素子における1画素の回路構成を示している。図11に示すように、画素は、スイッチング回路200とフォトダイオード210とから構成され、スイッチング回路は、トランスファ(転送)トランジスタTRt、キャパシタC、リセットトランジスタTRr、センスアンプ用トランジスタTRa及びスイッチングトランジスタTRsにより構成される。
FIG. 11 shows a circuit configuration of one pixel in a conventional solid-state imaging device. As shown in FIG. 11, the pixel includes a
画素行に沿って、アドレス線A1、転送制御線T及びリセット線Rが配置されている。転送制御線T及びリセット線Rは、垂直走査回路(図示せず)と接続されている。また、画素列に沿って、信号線L1及びバイアス線Bが配置されている。 An address line A1, a transfer control line T, and a reset line R are arranged along the pixel row. The transfer control line T and the reset line R are connected to a vertical scanning circuit (not shown). A signal line L1 and a bias line B are arranged along the pixel column.
次に、従来の固体撮像素子の動作について図12を参照しながら説明する。図12に示すように、短時間露光方式のグローバルシャッタ入力モードを想定した場合に、垂直走査回路は、トリガ信号の入力に応じて全行に対して同時にリセット線RにH(ハイ)レベルの全リセット信号を一瞬の間送出する。これと同時に、垂直走査回路は、全行の転送制御線TにもHレベルの全転送信号を一瞬の間送出する。これにより、全画素のフォトダイオード210及びキャパシタCに蓄えられた画素信号がリセットトランジスタTRrを通じて放出されて、全画素のフォトダイオード210及びキャパシタCがリセットされる。
Next, the operation of the conventional solid-state imaging device will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12, when the global shutter input mode of the short exposure method is assumed, the vertical scanning circuit simultaneously sets the H (high) level to the reset line R for all the rows according to the input of the trigger signal. Send all reset signals for a moment. At the same time, the vertical scanning circuit sends all transfer signals of H level to the transfer control lines T of all rows for a moment. As a result, the pixel signals stored in the
続いて、垂直走査回路は、垂直同期信号をネゲート(無効)にする前に、Hレベルの全転送信号を一瞬の間再送出する。これにより、トランスファトランジスタTRtが短時間にわたりオフとされ、その間に全画素のフォトダイオード210が同時に露光状態とされる。全画素では、全転送信号の再送出時点でフォトダイオード210からトランスファトランジスタTRtを通じてキャパシタCに画素信号が移り、これらのキャパシタCに画素信号が一時的に蓄えられた状態となる。
Subsequently, the vertical scanning circuit retransmits all H level transfer signals for a moment before negating (invalidating) the vertical synchronization signal. As a result, the transfer transistor TRt is turned off for a short time, and the
続いて、垂直走査回路は、1行ごとにアドレス線選択信号を送出する。これにより、全画素同時露光による画素信号がセンスアンプ用トランジスタTRaに送られて増幅される。さらに、増幅された画素信号は、スイッチングトランジスタTRsを通じて信号線L1上に送出されて、画像信号を得ることができる。 Subsequently, the vertical scanning circuit transmits an address line selection signal for each row. As a result, the pixel signal obtained by simultaneous exposure of all pixels is sent to the sense amplifier transistor TRa and amplified. Further, the amplified pixel signal can be sent to the signal line L1 through the switching transistor TRs to obtain an image signal.
しかしながら、前記従来の固体撮像素子は、フォトダイオード210とセンスアンプ用トランジスタTRaとの間に配置された容量Cは、通称FD(フローティングディフュージョン)部であって、暗電流が大きい。このため、1フレーム相当の時間に電荷を保持する画素においては、白きずが発生して、画質を低下させるという問題がある。
However, in the conventional solid-state imaging device, the capacitor C disposed between the
本発明は、前記従来の問題に鑑み、画質の低下を抑えたグローバル動作が可能な固体撮像素子を得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to obtain a solid-state imaging device capable of global operation while suppressing deterioration in image quality.
前記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、行列状に配置され、それぞれが受光量に応じた電気信号を出力する複数の画素と、列ごとに設けられ、対応する列の複数の画素から出力される電気信号を順次転送する複数の列信号線と、列ごとに設けられ、対応する列の列信号線を通して画素から転送された電気信号を保持する第1の保持回路と、第1の保持回路からの出力信号を保持する第2の保持回路とを備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is arranged in a matrix, each provided with a plurality of pixels that output an electrical signal corresponding to the amount of received light, and for each column. A plurality of column signal lines that sequentially transfer electrical signals output from the plurality of pixels, and a first holding circuit that is provided for each column and holds the electrical signals transferred from the pixels through the column signal lines of the corresponding columns; And a second holding circuit for holding an output signal from the first holding circuit.
本発明の固体撮像素子によると、グローバル動作時において、受光量に応じた電気信号を画素回路から第1の保持回路に転送し、その後、第2の保持回路に転送して保持した後、フレームレート等の外部からの要求に見合った所定の待ち時間の経過後に、第2の保持回路から固体撮像素子の外部へ電気信号を出力することができる。このように、各画素から出力された電気信号を保持する2種類の保持回路を、回路面積の制約を受けにくい画素の外部に配置し、さらに、各保持回路には比較的に大きいキャパシタを用いる等して、長時間にわたって画素よりも低ノイズで電気信号を保持することが可能となる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, during a global operation, an electrical signal corresponding to the amount of received light is transferred from the pixel circuit to the first holding circuit, then transferred to the second holding circuit and held, and then the frame An electrical signal can be output from the second holding circuit to the outside of the solid-state imaging device after a predetermined waiting time corresponding to an external request such as a rate has elapsed. In this way, two types of holding circuits that hold the electric signals output from each pixel are arranged outside the pixel that is not easily restricted by the circuit area, and a relatively large capacitor is used for each holding circuit. For example, it is possible to hold an electric signal with lower noise than a pixel for a long time.
本発明の固体撮像素子において、第1の保持回路は、対応する画素の初期化状態の第1の電気信号を保持する第1の容量と、対応する画素の受光後の第2の電気信号を保持する第2の容量とを有し、該固体撮像素子は、列ごとに設けられ、対応する列の第1の保持回路の第1の容量と第2の容量とに保持されている第1の電気信号と第2の電気信号との差分を取る差分回路をさらに備え、第2の保持回路は、差分回路における差分の電気信号を保持することが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the first holding circuit receives the first capacitor that holds the first electric signal in the initialization state of the corresponding pixel, and the second electric signal after receiving light from the corresponding pixel. The solid-state imaging device is provided for each column, and is held in the first capacitor and the second capacitor of the first holding circuit in the corresponding column. It is preferable to further include a difference circuit that takes a difference between the second electric signal and the second electric signal, and the second holding circuit holds the difference electric signal in the difference circuit.
このようにすると、一の期間に対応する画素における初期化状態の複数の電気信号が出力され、その後、他の期間に対応する画素における受光後の複数の電気信号が出力される場合であっても、対応する画素の初期化信号と受光後の信号との差分を得ることができるため、画素単位1つ分の容量により構成された第2の保持回路に保持することによって各保持回路の面積を削減することができる。 In this case, a plurality of electric signals in an initialization state in a pixel corresponding to one period are output, and then a plurality of electric signals after light reception in a pixel corresponding to another period are output. In addition, since the difference between the initialization signal of the corresponding pixel and the signal after light reception can be obtained, the area of each holding circuit can be obtained by holding it in the second holding circuit constituted by the capacity of one pixel unit. Can be reduced.
本発明の固体撮像素子において、各画素は、受光量に応じた電荷を生成するフォトダイオードと、フォトダイオードの出力側と接続された転送トランジスタと、フォトダイオードにより生成され、転送トランジスタを介して転送された電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部を初期化状態に設定するリセットトランジスタと、ゲートがフローティングディフュージョン部と接続され、フローティングディフュージョン部によって変換された電圧に応じた電気信号を出力する出力トランジスタとを有し、各画素は、所定の複数行ごとにグループ化されており、グループごとの画素に含まれる、リセットトランジスタ及び転送トランジスタのゲートは、グループごとに共通に接続されていてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, each pixel is generated by a photodiode that generates a charge corresponding to the amount of received light, a transfer transistor connected to the output side of the photodiode, and transferred via the transfer transistor. The floating diffusion part that converts the generated charge into a voltage, the reset transistor that sets the floating diffusion part to the initialized state, and the gate is connected to the floating diffusion part, and an electric signal corresponding to the voltage converted by the floating diffusion part Each pixel is grouped into a plurality of predetermined rows, and the gates of the reset transistor and the transfer transistor included in the pixels of each group are commonly connected to each group. It may be.
このようにすると、一の期間に対応する画素における初期化状態の複数の電気信号を出力し、その後、他の期間に対応する画素における受光後の複数の電気信号を出力することができる。 In this way, it is possible to output a plurality of electrical signals in the initialized state in the pixels corresponding to one period, and then output a plurality of electrical signals after light reception in the pixels corresponding to other periods.
また、本発明の固体撮像素子において、第1の保持回路は、対応する画素の初期化状態の電気信号を保持する容量を有し、該固体撮像素子は、列ごとに設けられ、対応する列の第1の保持回路の容量に保持されている、対応する画素の初期化状態の第1の電気信号と、対応する画素の受光後の第1の電気信号との差分を取る差分回路をさらに備え、第2の保持回路は、差分回路における差分の電気信号を保持することが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the first holding circuit has a capacity for holding an electrical signal in an initialization state of the corresponding pixel, and the solid-state imaging device is provided for each column, and the corresponding column A difference circuit for taking a difference between the first electric signal in the initialization state of the corresponding pixel held in the capacitor of the first holding circuit and the first electric signal after receiving light from the corresponding pixel; The second holding circuit preferably holds a difference electric signal in the difference circuit.
このようにすると、対応する画素における初期化状態の電気信号と対応する画素における受光後の電気信号とを交互に出力する場合であっても、対応する画素の初期化信号と受光後の信号との差分を得ることができるため、画素単位1つ分の容量により構成された第2の保持回路に保持することによって各保持回路の面積を削減することができる。 In this case, even when the electrical signal in the initialization state in the corresponding pixel and the electrical signal after light reception in the corresponding pixel are alternately output, the initialization signal of the corresponding pixel and the signal after light reception are Therefore, the area of each holding circuit can be reduced by holding in the second holding circuit configured by the capacity of one pixel unit.
本発明の固体撮像素子において、各画素は、受光量に応じた電荷を生成するフォトダイオードと、フォトダイオードの出力側と接続された転送トランジスタと、フォトダイオードにより生成され、転送トランジスタを介して転送された電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部を初期化状態に設定するリセットトランジスタと、ゲートがフローティングディフュージョン部と接続され、フローティングディフュージョン部によって変換された電圧に応じた電気信号を出力する出力トランジスタとを有し、各画素は、複数行のリセットトランジスタのゲートに印加する信号が時間的に重なりを有すると共に、複数行の転送トランジスタのゲートに印加する信号が時間的に重なりを有していてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, each pixel is generated by a photodiode that generates a charge corresponding to the amount of received light, a transfer transistor connected to the output side of the photodiode, and transferred via the transfer transistor. The floating diffusion part that converts the generated charge into a voltage, the reset transistor that sets the floating diffusion part to the initialized state, and the gate is connected to the floating diffusion part, and an electric signal corresponding to the voltage converted by the floating diffusion part Each pixel has a temporally overlapping signal applied to the gates of the reset transistors in a plurality of rows, and a temporally overlapping signal applied to the gates of the transfer transistors in the plurality of rows. Have It may be.
このようにすると、対応する画素における初期化状態の電気信号と、それと対応する画素における受光後の電気信号とを交互に出力することができる。 By doing this, it is possible to alternately output the electrical signal in the initialized state in the corresponding pixel and the electrical signal after light reception in the corresponding pixel.
本発明の固体撮像素子において、第1の保持回路及び第2の保持回路は、電気信号をアナログ値で保持してもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the first holding circuit and the second holding circuit may hold the electrical signal as an analog value.
このようにすると、小さい容量で階調を保った信号を保持できる。 In this way, it is possible to hold a signal that maintains a gradation with a small capacity.
本発明の固体撮像素子において、第1の保持回路の容量値は、第2の保持回路の容量値よりも大きくてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the capacitance value of the first holding circuit may be larger than the capacitance value of the second holding circuit.
このようにすると、第1の保持回路に生じるノイズを第2の保持回路に生じるノイズよりも小さくすることができる。 In this way, noise generated in the first holding circuit can be made smaller than noise generated in the second holding circuit.
本発明に係る固体撮像素子によると、画質の低下を抑えたグローバル動作が可能な固体撮像素子を得ることができる。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to obtain a solid-state imaging device capable of global operation while suppressing deterioration in image quality.
(一実施形態)
本発明の一実施形態について図1を参照しながら説明する。図1は本実施形態に係る固体撮像素子のブロック構成を示している。
(One embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a block configuration of a solid-state imaging device according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子は、例えば、複数の画素が行列状に配置された画素回路1と、第1の保持回路2と、第1の差分回路3と、第2の保持回路4と、第2の差分回路5と、出力線6と、水平走査回路7と、垂直走査回路8とを備えている。
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to this embodiment includes, for example, a
画素回路1からは、基準出力と信号出力とが出力される。第1の保持回路2は、基準出力と信号出力、又は基準出力のみを保持する。第1の差分回路3は、第1の保持回路2に保持されている基準出力と信号出力との差分出力、又は第1の保持回路2に保持されている基準出力と画素回路1から出力される信号出力との差分出力を出力する。第2の保持回路4は、第1の差分回路3から出力される差分出力を保持する。第2の差分回路5は、第2の保持回路4に保持されている差分出力と基準電圧とを差分し、この差分信号は水平走査回路7の出力に同期して出力線6に出力される。垂直走査回路8は、画素回路1、第1の保持回路2及び第2の保持回路4にパルス信号を出力する。
A reference output and a signal output are output from the
図2に画素回路1における1列2行分の画素の具体例を示す。図2において、符号1−1及び1−2はそれぞれ画素単位を示し、画素単位1−1は、フォトダイオード10と、転送トランジスタ11と、リセットトランジスタ12と、出力トランジスタ13とから構成される。画素単位1−2は、画素単位1−1と同様に、フォトダイオード15と、転送トランジスタ16と、リセットトランジスタ17と、出力トランジスタ18とから構成される。
FIG. 2 shows a specific example of pixels for one column and two rows in the
画素単位1−1において、フォトダイオード10は、アノードが接地され、カソードが転送トランジスタ11のドレインと接続される。転送トランジスタ11は、ソースがリセットトランジスタ12のソース及び出力トランジスタ13のゲートと接続され、ゲートが端子23と接続される。転送トランジスタ11のソース、リセットトランジスタ12のソース及び出力トランジスタ13のゲートを含む領域は、フローティングディフュージョン部(以後、FD部と呼ぶ。)と呼ばれる拡散容量を形成する。リセットトランジスタ12は、ドレインが電源と接続され、ゲートが端子22と接続される。出力トランジスタ13は、ドレインが電源と接続され、ソースが行選択トランジスタ14のドレインと接続される。電流源20は列信号線21と接続される。行選択トランジスタ14は、ゲートが端子24と接続され、導通している際には、出力トランジスタ13と電流源20とによってソースフォロアを形成する。
In the pixel unit 1-1, the
画素単位1−2においても、フォトダイオード15は、アノードが接地され、カソードが転送トランジスタ16のドレインと接続される。転送トランジスタ16は、ソースがリセットトランジスタ17のソース及び出力トランジスタ18のゲートと接続され、ゲートが端子26と接続される。転送トランジスタ16のソース、リセットトランジスタ17のソース及び出力トランジスタ18のゲートを含む領域は、FD部と呼ばれる拡散容量を形成する。リセットトランジスタ17は、ドレインが電源と接続され、ゲートが端子25と接続される。出力トランジスタ18は、ドレインが電源と接続され、ソースが行選択トランジスタ19のドレインと接続される。行選択トランジスタ19は、ゲートが端子27と接続され、導通している際には、出力トランジスタ18と電流源20とによってソースフォロアを形成する。
Also in the pixel unit 1-2, the
画素単位1−1及び1−2の各出力信号は、それぞれ行選択トランジスタ14、行選択トランジスタ19を介して列信号線21に出力される。列信号線21は、図1に示す第1の保持回路2に入力される。
The output signals of the pixel units 1-1 and 1-2 are output to the
(一実施形態の第1実施例)
図3は本実施形態の第1実施例に係る固体撮像素子における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。
(First example of one embodiment)
FIG. 3 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the solid-state imaging device according to the first example of the present embodiment.
図3には、図2に示した各端子に印加される制御信号が示されている。各制御信号は、印加される端子の符号にSを付した符号で表される。 FIG. 3 shows control signals applied to the terminals shown in FIG. Each control signal is represented by a symbol with S added to the symbol of an applied terminal.
図3に示す、信号S22は、端子22に印加されてリセットトランジスタ12のゲートに入力される。信号S23は、端子23に印加されて転送トランジスタ11のゲートに入力される。信号S24は、端子24に印加されて行選択トランジスタ14のゲートに入力される。信号S25は、端子25に印加されてリセットトランジスタ17のゲートに入力される。信号S26は、端子26に印加されて転送トランジスタ16のゲートに入力される。信号S27は、端子27に印加されて行選択トランジスタ19のゲートに入力される。信号SVは、列信号線21に出力される。
A signal S22 shown in FIG. 3 is applied to the terminal 22 and input to the gate of the
以下に、第1実施例に係る固体撮像素子の第1の駆動方法について、図2及び図3を参照しながら説明する。 Below, the 1st drive method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Example is demonstrated, referring FIG.2 and FIG.3.
図3に示すように、まず、期間t1において、信号S22、S24及びS25が“HIGH(ハイ)”となり、各画素単位のリセットトランジスタ12、17のゲートを“HIGH”にして導通させ、各画素単位のFD部を同時に電源と接続して初期状態とする。また、行選択トランジスタ14のゲートも“HIGH”にして導通させる。これにより、画素単位1−1の初期状態のFD部の電位が、出力トランジスタ13及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの期間t1におけるVref値)。
As shown in FIG. 3, first, in a period t1, the signals S22, S24, and S25 are set to “HIGH (high)”, and the gates of the
次に、期間t2において、信号S22、S25及びS27が“HIGH”となり、各画素単位のリセットトランジスタ12、17のゲートを“HIGH”にして導通させ、各画素単位のFD部を同時に電源と接続して初期状態を維持する。また、行選択トランジスタ19のゲートが“HIGH”となって導通し、画素単位1−2の初期状態のFD部の電位が出力トランジスタ18及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの期間t2のVref値)。
Next, in a period t2, the signals S22, S25, and S27 are set to “HIGH”, the gates of the
次に、期間t3において、信号S22、S25が“HIGH”を維持し、信号S24、S27は“LOW(ロウ)”となる。なお、図2においては、2行分の画素を例としており、実際には、3行以上の画素単位を有する場合、期間t3においても、信号SVにはVref値が出力されることはいうまでもない。 Next, in a period t3, the signals S22 and S25 maintain “HIGH”, and the signals S24 and S27 become “LOW”. Note that in FIG. 2, pixels for two rows are taken as an example, and in fact, when the pixel unit has three or more rows, the Vref value is output to the signal SV even in the period t3. Nor.
次に、期間t4においては、すべての信号が“LOW”となる。 Next, in the period t4, all signals are “LOW”.
次に、期間t5においては、信号S23、S24及びS26が“HIGH”となり、各画素単位の転送トランジスタ11、16のゲートを“HIGH”にして導通させ、各画素単位のフォトダイオード10、15に蓄積された電荷をFD部に転送する。転送された電荷とFD部の容量とによって、出力トランジスタ13、18の各ゲートに電圧が発生する。また、行選択トランジスタ14のゲートも“HIGH”にして導通させ、画素単位1−1のFD部の電位が出力トランジスタ13及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの期間t5のV1値)。
Next, in the period t5, the signals S23, S24, and S26 become “HIGH”, the gates of the
次に、期間t6においては、信号S23、S26は“HIGH”を維持し、転送された電荷とFD部の容量とによって、出力トランジスタ13、18の各ゲートに電圧が発生し続ける。また、信号S27の“HIGH”によって、行選択トランジスタ19が導通し、画素単位1−2のFD部の電位が、出力トランジスタ18及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図3の信号SVの期間t6のV2値)。
Next, in the period t6, the signals S23 and S26 maintain “HIGH”, and voltage continues to be generated at the gates of the
以上、各画素単位1−1、1−2のリセットトランジスタ12、17を同時に導通させて、FD部の初期状態に対応した信号出力(Vref)をそれぞれ出力する期間T1と、各画素単位1−1、1−2の転送トランジスタ11、16を同時に導通させて、フォトダイオード10、15に蓄積した電荷に対応した信号出力(V1、V2)を出力する期間T2とを有する画素回路1の第1の駆動方法を説明した。
As described above, the period T1 during which the
(一実施形態の第2実施例)
図4は本実施形態の第2実施例に係る固体撮像素子における主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。
(Second example of one embodiment)
FIG. 4 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the solid-state imaging device according to the second example of the present embodiment.
図4には、図2に示した各端子に印加される制御信号が示されている。各制御信号は、印加される端子の符号にSを付した符号で表される。図4に示す、各信号S22〜S27及びSVは、図3に示した信号と同一であり、ここでは説明を省略する。 FIG. 4 shows control signals applied to the terminals shown in FIG. Each control signal is represented by a symbol with S added to the symbol of an applied terminal. The signals S22 to S27 and SV shown in FIG. 4 are the same as the signals shown in FIG.
以下に、第2実施例に係る固体撮像素子の第2の駆動方法について、図2及び図4を参照しながら説明する。 Hereinafter, a second driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
図4に示す、信号S22は端子22に印加される信号であって、画素単位1−1のリセットトランジスタ12のゲートに印加されて、該リセットトランジスタ12を期間t1、t2及びt3の間導通させる。信号S23は端子23に印加される信号であって、画素単位1−1の転送トランジスタ11のゲートに印加されて、該転送トランジスタ11を期間t7、t8の間導通させる。信号S24は端子24に印加する信号であって、画素単位1−1の行選択トランジスタ14のゲートに印加されて、該行選択トランジスタ14を期間t3、t9の間導通させる。信号S25は端子25に印加される信号であって、画素単位1−2のリセットトランジスタ17のゲートに印加されて、該リセットトランジスタ17を期間t2、t3、t4及びt5の間導通させる。信号S26は端子26に印加される信号であって、画素単位1−2の転送トランジスタ16のゲートに印加されて、該転送トランジスタ16を期間t8、t9及びt10の間導通させる。信号S27は端子27に印加される信号であって、画素単位1−2の行選択トランジスタ19のゲートに印加されて、該行選択トランジスタ19を期間t5、t11の間導通させる。画素単位1−1のリセットトランジスタ12と画素単位1−2のリセットトランジスタ17とに印加される信号S22及びS25は、同時に“HIGH”となる期間が期間t2及びt3であり、期間t1と期間t4+t5との時間幅が同一であれば、信号S25は信号S22と同一の“HIGH”期間を持ち、従って、期間t1だけ遅れた信号となる。同様に、画素単位1−1の転送トランジスタ11と画素単位1−2の転送トランジスタ15に印加される信号S23及びS26は、同時に“HIGH”となる期間は期間t8であり、期間t7と期間t9+t10との時間幅が同一であれば、信号S26は信号S23と同一の“HIGH”期間を持ち、従って、期間t7だけ遅れた信号となる。
A signal S22 shown in FIG. 4 is a signal applied to the terminal 22, and is applied to the gate of the
まず、画素単位1−1について説明する。 First, the pixel unit 1-1 will be described.
図4に示すように、期間t1、t2及びt3において、信号S22が“HIGH”となり、リセットトランジスタ12のゲートが“HIGH”となって導通し、FD部を電源と接続して初期状態とする。期間t3において、信号S24が“HIGH”となるため、行選択トランジスタ14のゲートが“HIGH”となって導通する。これにより、初期状態のFD部の電位が、出力トランジスタ13及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図4の信号SVの期間t3のVref値)。
As shown in FIG. 4, in the periods t1, t2 and t3, the signal S22 becomes “HIGH”, the gate of the
続いて、期間t7、t8において、信号S23が“HIGH”となり、転送トランジスタ11のゲートを“HIGH”にして導通させる。これにより、画素単位1−1のフォトダイオード10に蓄積された電荷がFD部に転送される。転送された電荷とFD部の容量とによって出力トランジスタ13のゲートに電圧が発生する。期間t9において、信号24が再び“HIGH”となるため、行選択トランジスタ14のゲートは“HIGH”となって導通する。FD部の電位が出力トランジスタ13及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図4の信号SVの期間t9のV1値)。
Subsequently, in the periods t7 and t8, the signal S23 becomes “HIGH”, and the gate of the
次に、画素単位1−2について説明する。 Next, the pixel unit 1-2 will be described.
期間t2、t3、t4及びt5において、信号S25が“HIGH”となり、リセットトランジスタ17のゲートが“HIGH”となって導通し、FD部を電源と接続して初期状態とする。期間t5において、信号27が“HIGH”となるため、行選択トランジスタ19のゲートが“HIGH”となって導通する。これにより、初期状態のFD部の電位が、出力トランジスタ18及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図4の信号SVの期間t5のVref値)。
In periods t2, t3, t4, and t5, the signal S25 becomes “HIGH”, the gate of the
続いて、期間t8、t9及びt10において、信号S26が“HIGH”となり、転送トランジスタ16のゲートを“HIGH”にして導通させる。これにより、画素1−2のフォトダイオード15に蓄積された電荷がFD部に転送される。転送された電荷とFD部の容量とのよって出力トランジスタ18のゲートに電圧が発生する。期間t11において、信号S27が再び“HIGH”となるため、行選択トランジスタ19のゲートは“HIGH”となって導通する。FD部の電位が出力トランジスタ18及び電流源20で構成されるソースフォロアを介して列信号線21に出力される(図4の信号SVの期間t11のV2値)。
Subsequently, in the periods t8, t9, and t10, the signal S26 becomes “HIGH”, and the gate of the
ここで、期間t1、t4+t5、t7及びt9+t10の時間幅が同一(この時間幅をtとする)とすると、画素単位1−1から列信号線21に出力される出力信号SVは、期間t3のVref及び期間t9のV1となり、画素単位1−2から列信号線21に出力される出力信号SVは、期間t5のVref及び期間t11のV2となる。従って、画素単位1−2の出力は、画素単位1−1の出力よりも時間幅tだけ遅れた出力形式となる。
Here, if the time widths of the periods t1, t4 + t5, t7, and t9 + t10 are the same (this time width is assumed to be t), the output signal SV output from the pixel unit 1-1 to the
以上、行が異なる画素単位におけるリセットトランジスタ12、17、及び転送トランジスタ11、16に印加する信号が、同一の時間幅tだけ遅れて印加される画素回路1の第2の駆動方法を説明した。
As described above, the second driving method of the
図5(a)及び図5(b)に行方向に画素単位が3行以上に配置された場合の列信号線21に出力される出力波形を示す。
5A and 5B show output waveforms output to the
図5(a)は、図3に示した第1の駆動方法と対応しており、複数行の画素単位のリセットトランジスタを同時に導通させ、その後、転送トランジスタを同時に導通させる場合の出力波形である。FD部の初期状態に対応した複数の信号出力Vrefが出力された後、フォトダイオードに蓄積した電荷に対応した各信号出力V1、V2、V3、V4及びV5が出力される。 FIG. 5A corresponds to the first driving method shown in FIG. 3, and shows an output waveform when the reset transistors of the pixel units in a plurality of rows are simultaneously turned on and then the transfer transistors are turned on simultaneously. . After a plurality of signal outputs Vref corresponding to the initial state of the FD section are output, signal outputs V1, V2, V3, V4 and V5 corresponding to the charges accumulated in the photodiode are output.
図5(b)は、図4に示した第2の駆動方法と対応しており、画素単位のリセットトランジスタ及び転送トランジスタに印加する信号が同一の時間幅だけ遅れて印加される場合の出力波形である。FD部の初期状態に対応した信号出力Vrefが1画素分出力された後、フォトダイオードに蓄積された電荷に対応した1画素分の信号出力V1が出力される。その後、Vref、V2、Vref、V3、Vref、V4、Vref及びV5とFD部の初期状態に対応した信号出力とフォトダイオードに蓄積された電荷に対応した1画素分の信号出力とが交互に出力される。 FIG. 5B corresponds to the second driving method shown in FIG. 4, and an output waveform when signals applied to the reset transistor and the transfer transistor in units of pixels are applied with a delay of the same time width. It is. After the signal output Vref corresponding to the initial state of the FD portion is output for one pixel, the signal output V1 for one pixel corresponding to the charge accumulated in the photodiode is output. After that, Vref, V2, Vref, V3, Vref, V4, Vref and V5, and a signal output corresponding to the initial state of the FD section and a signal output for one pixel corresponding to the charge accumulated in the photodiode are alternately output. Is done.
(一実施形態の第3実施例)
図6に、第1実施例と対応する第3実施例として、列信号線21に図5(a)に示すFD部の初期状態と対応した複数の信号出力Vrefが出力された後、フォトダイオードに蓄積された電荷と対応した信号出力V1、V2、V3、V4及びV5が出力される場合の、第1の保持回路と差分回路と第2の保持回路との1列2行分を示す。
(Third example of one embodiment)
FIG. 6 shows a third embodiment corresponding to the first embodiment, in which a plurality of signal outputs Vref corresponding to the initial state of the FD section shown in FIG. 2 shows one column and two rows of the first holding circuit, the difference circuit, and the second holding circuit when the signal outputs V1, V2, V3, V4, and V5 corresponding to the charges accumulated in are output.
図6に示すように、トランジスタ30、31、32、33、36、40、41、42、43、46、48、51、52、54、801、802、803、804、816及び815の各ゲートは、端子61、64、62、63、60、66、69、67、68、65、70、71、73、74、822、821、824、823、825及び826とそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 6, the gates of the
容量34はトランジスタ30、32と接続され、容量35はトランジスタ31、33と接続され、容量44はトランジスタ40、42と接続され、容量45はトランジスタ41、43と接続され、容量49、50は出力線56と接続され、容量53はトランジスタ52と接続され、容量55はトランジスタ54と接続されている。容量813、814は出力線805と接続されている。
The
トランジスタ37、47は、それぞれトランジスタ36、46が導通した際に、電流源38と共にソースフォロアを形成する。
The
ここで、符号75が第1の保持回路を示し、符号76が第1の差分回路を示し、符号77が第2の保持回路を示し、符号820が第2の差分回路を示す。
Here,
図7は、第3実施例に係る固体撮像素子の第1の保持回路と第1の差分回路と第2の保持回路とにおける主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。また、図8は第2の保持回路と第2の差分回路との時間変化を示すタイミングチャートである。 FIG. 7 is a timing chart showing temporal changes of main signals in the first holding circuit, the first difference circuit, and the second holding circuit of the solid-state imaging device according to the third embodiment. FIG. 8 is a timing chart showing temporal changes between the second holding circuit and the second difference circuit.
図7には、図6に示した各端子に印加される制御信号が示されている。各制御信号は、印加される端子の符号にSを付した符号で表される。 FIG. 7 shows control signals applied to the terminals shown in FIG. Each control signal is represented by a symbol with S added to the symbol of an applied terminal.
図7に示す、信号S21は、列信号線21に出力される出力信号を示す。信号S60は、端子60に印加されてトランジスタ36のゲートに入力される。信号S61は、端子61に印加されてトランジスタ30のゲートに入力される。信号S64は、端子64に印加されてトランジスタ31のゲートに入力される。信号S62は、端子62に印加されてトランジスタ32のゲートに入力される。信号S63は、端子63に印加されてトランジスタ33のゲートに入力される。信号S65は、端子65に印加されてトランジスタ46のゲートに入力される。信号S66は、端子66に印加されてトランジスタ40のゲートに入力される。信号S69は、端子69に印加されてトランジスタ41のゲートに入力される。信号S67は、端子67に印加されてトランジスタ42のゲートに入力される。信号S68は、端子68に印加されてトランジスタ43のゲートに入力される。信号S70は、端子70に印加されてトランジスタ48のゲートに入力される。信号S71は、端子71に印加されてトランジスタ51のゲートに入力される。信号S73は、端子73に印加されてトランジスタ52のゲートに入力される。信号S74は、端子74に印加されてトランジスタ54のゲートに入力される。
A signal S21 illustrated in FIG. 7 indicates an output signal output to the
以下に、第3実施例に係る固体撮像素子の第1の駆動方法について、図6及び図7を参照しながら説明する。 Below, the 1st drive method of the solid-state image sensor which concerns on 3rd Example is demonstrated, referring FIG.6 and FIG.7.
図7において、信号S21は列信号線21に出力される信号であり、FD部の初期状態と対応した複数の信号出力Vrefが出力された後、フォトダイオードに蓄積された電荷に対応した信号出力V1、V2、V3、V4及びV5が順次出力される。
In FIG. 7, a signal S21 is a signal output to the
まず、期間t1において、信号S61が“HIGH”となって、トランジスタ30が導通する。列信号線21には1行目の画素単位のVref信号が出力されているため、Vref値が容量34に保持される。
First, in a period t1, the signal S61 becomes “HIGH” and the
期間t2において、信号S66が“HIGH”となって、トランジスタ40が導通する。列信号線21には2行目の画素単位のVref信号が出力されているため、Vref値が容量44に保持される。
In the period t2, the signal S66 becomes “HIGH” and the
期間t3において、列信号線21には3行目、4行目及び5行目の各画素単位のVref信号が順に出力されているため、Vref値が対応する容量(図示せず)に保持される。
In the period t3, the Vref signal for each pixel of the third row, the fourth row, and the fifth row is sequentially output to the
期間t4の後の期間t5において、信号S64が“HIGH”となって、トランジスタ31が導通する。列信号線21には1行目の画素単位の信号出力V1が出力されているため、V1値が容量35に保持される。
In a period t5 after the period t4, the signal S64 becomes “HIGH” and the
期間t6、t7において、信号69が“HIGH”となって、トランジスタ41が導通する。列信号線21には2行目の画素単位の信号出力V2が出力されているため、V2値が容量45に保持される。
In the periods t6 and t7, the
一方、期間t6、t7の前半の期間t6においては、信号S60、S62、S70及びS71が“HIGH”となって、各トランジスタ36、32、48及び51が導通する。トランジスタ32、36及び48が導通することにより、容量34に保持されていた1行目の単位画素のVref値が、トランジスタ37及び電流源38で形成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に導かれる。端子72にはバイアス電圧Vbが印加されており、トランジスタ51が導通することにより、バイアス電圧Vbが容量49の下部電極に導かれる。従って、容量49の電極間には電圧((Vref−Vt)−Vb)が保持される。ここで、Vtはトランジスタ37の閾値電圧である。これにより、容量50にはVb値が保持されると共に、第1の差分回路76の出力線56にもVb値が出力される。
On the other hand, in the period t6 in the first half of the periods t6 and t7, the signals S60, S62, S70, and S71 are “HIGH”, and the
続く期間t7においては、信号S60、S63、S70及びS73が“HIGH”となって、トランジスタ36、33、48及び52が導通する。トランジスタ33、36及び48が導通することにより、容量35に保持されていた1行目の単位画素のV1値が、トランジスタ37及び電流源38で形成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に電圧(V1−Vt)値として導かれる。容量49の上部電極は、期間t6における(Vref−Vt)値に対し、期間t7においては(V1−Vt)となり、その電圧変化は(Vref−V1)となる。また、第1の差分回路76の出力線56には、この電圧変化を容量49(容量値C49)と容量50(容量値C50)との分圧値{(Vref-V1)×(C50/(C49+C50))}がVb値から変化する。トランジスタ52が導通しているため、容量53には電圧値[Vb-{(Vref-V1)×(C50/(C49+C50))}]が保持される。
In the subsequent period t7, the signals S60, S63, S70, and S73 are “HIGH”, and the
次に、期間t8、t9においては、期間t6、t7と同様に、まず期間t8において、信号S65、S67、S70及びS71が“HIGH”となって、トランジスタ46、42、48及び51が導通する。トランジスタ42、46及び48が導通することにより、容量44に保持されていた2行目の単位画素のVref値が、トランジスタ47及び電流源38で形成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に導かれる。端子72にはバイアス電圧Vbが印加されており、トランジスタ51が導通することにより、バイアス電圧Vb値が容量49の下部電極に導かれる。従って、容量49の電極間には電圧((Vref−Vt)−Vb)が保持され、容量50にはVb値が保持されると共に、第1の差分回路76の出力線56にもVb値が出力される。
Next, in the periods t8 and t9, as in the periods t6 and t7, first, in the period t8, the signals S65, S67, S70, and S71 are “HIGH”, and the
続く期間t9においては、信号S65、S68、S70及びS74が“HIGH”となって、トランジスタ46、43、48、54が導通する。トランジスタ43、46及び48が導通することにより、容量45に保持されていた2行目の単位画素のV2値が、トランジスタ47及び電流源38で形成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に電圧(V2−Vt)値として導かれる。容量49の上部電極は、期間t8の(Vref−Vt)値に対し、期間t9においては(V2−Vt)となり、その電圧変化は(Vref−V2)となる。また、第1の差分回路76の出力線56には、この電圧変化を容量49(容量値C49)と容量50(容量値C50)との分圧値{(Vref−V2)×(C50/(C49+C50))}がVb値から変化して出力される。さらに、トランジスタ54が導通しているため、容量55には電圧値[Vb−{(Vref−V2)×(C50/(C49+C50))}]が保持される。すなわち、容量34、35、44及び45と複数のトランジスタとから構成される第1の保持回路75において、FD部の初期状態と対応した信号出力Vrefと、フォトダイオードに蓄積された電荷に対応した信号出力V1、V2、V3、V4及びV5とに、単位画素当たり2個の容量を用いているのに対し、第1の差分回路76によりそれらの差分信号を出力して、単位画素当たり1個の容量を用いる第2の保持回路77に保持したことになる。
In the subsequent period t9, the signals S65, S68, S70, and S74 are “HIGH”, and the
次に、期間t10以降の説明を図8に基づいて説明する。 Next, the description after the period t10 will be described with reference to FIG.
図8に示すように、期間t11及び期間t12において、第2の保持回路77の容量53に蓄積された信号を読み出す。まず、期間t11において、信号S821、信号S825及び信号S826が“HIGH”となって、トランジスタ802、トランジスタ816及びトランジスタ815が導通状態となる。これにより、容量53に蓄積された信号がトランジスタ802、トランジスタ806及びトランジスタ816を通じて容量813の上部電極に伝わる。これと同時に、端子827に設定された電圧がトランジスタ815を通じて容量813の下部電極に伝わる。
As shown in FIG. 8, the signal accumulated in the
続く期間t12において、信号S822が“HIGHとなり、信号S826が”LOW“となるため、トランジスタ801を通じて電圧値Vref2が容量813の上部電極に伝わる。この後は、上述した第1の差分回路76の説明と同様に、容量813と容量814との分圧値が信号線805に出力される。
In the subsequent period t12, since the signal S822 becomes “HIGH” and the signal S826 becomes “LOW”, the voltage value Vref2 is transmitted to the upper electrode of the
続く期間t13及び期間t14においては、容量55の信号における容量813と容量814との分圧値が信号線805に出力される。この第2の差分回路820を動作させることにより、トランジスタ806、トランジスタ807の閾値電圧値のばらつきを補償できる。
In the subsequent period t13 and period t14, the divided value of the
なお、第1の保持回路75を構成する容量の容量値は、第2の保持回路77を構成する容量の容量値よりも大きくしている。これは第1の保持回路75の容量の数が第2の保持回路77の容量の数よりも少なく、また、容量値が大きい方がkTCノイズ(熱ノイズ)が小さくなるためである。
Note that the capacitance value of the capacitor constituting the
(一実施形態の第4実施例)
図9に、第2実施例と対応する第4実施例として、列信号線21に図5(b)に示すFD部の初期状態と対応した信号出力Vrefが1画素分出力された後、フォトダイオードに蓄積された電荷と対応した1画素分の信号出力V1が出力され、その後、信号出力Vref、V2、Vref、V3、Vref、V4、Vref及びV5等のように、FD部の初期状態と対応した信号出力とフォトダイオードに蓄積された電荷と対応した1画素分の信号出力とが交互に出力される場合の、第1の保持回路と第1の差分回路と第2の保持回路との1列2行分を示す。
(Fourth example of one embodiment)
FIG. 9 shows a fourth embodiment corresponding to the second embodiment, in which a signal output Vref corresponding to the initial state of the FD section shown in FIG. A signal output V1 for one pixel corresponding to the electric charge accumulated in the diode is output, and then the initial state of the FD section, such as signal outputs Vref, V2, Vref, V3, Vref, V4, Vref and V5, etc. When the corresponding signal output and the signal output for one pixel corresponding to the charge accumulated in the photodiode are alternately output, the first holding circuit, the first difference circuit, and the second holding circuit One column and two rows are shown.
図9に示すように、トランジスタ80、81、82、83、84、89、90、91、48、51、52及び54はトランジスタの各ゲートは、端子100、101、102、104、103、105、107、106、108、109、111及び112とそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 9,
容量85はトランジスタ83、84と接続され、容量92はトランジスタ90、91と接続され、容量49、50は出力線56と接続され、容量53はトランジスタ52と接続され、容量55はトランジスタ54と接続されている。
The
トランジスタ86、93は、それぞれトランジスタ86、93が導通した際に、電流源87と共にソースフォロアを形成する。
The
ここで、符号95が第1の保持回路を示し、符号96が第1の差分回路を示し、符号97が第2の保持回路を示す。なお、第2の保持回路97の後段には、第3実施例と同様の第2の差分回路が接続されているが、動作は第3実施例と同様であるため、その回路構成及び回路動作は省略する。
Here,
また、第1の保持回路95において、列信号線21は、第1の信号線21Aと第2の信号線21Bとに分岐しており、トランジスタ80、84及び91は第1の信号線21Aと接続され、トランジスタ81、82及び89は第2の信号線21Bと接続されている。
In the
図10は、第4実施例に係る固体撮像素子の第1の保持回路と第1の差分回路と第2の保持回路とにおける主要な信号の時間変化を示すタイミングチャートである。 FIG. 10 is a timing chart illustrating temporal changes of main signals in the first holding circuit, the first difference circuit, and the second holding circuit of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
図10には、図9に示した各端子に印加される制御信号が示されている。各制御信号は、印加される端子の符号にSを付した符号で表される。 FIG. 10 shows control signals applied to the terminals shown in FIG. Each control signal is represented by a symbol with S added to the symbol of an applied terminal.
図10に示す、信号S21は、列信号線21に出力される出力信号をを示す。信号S100は、端子100に印加されてトランジスタ80のゲートに入力される。信号S101は、端子101に印加されてトランジスタ81のゲートに入力される。信号S102は、端子102に印加されてトランジスタ82のゲートに入力される。信号S103は、端子103に印加されてトランジスタ84のゲートに入力される。信号S104は、端子104に印加されてトランジスタ83のゲートに入力される。信号S105は、端子105に印加されてトランジスタ89のゲートに入力される。信号S106は、端子106に印加されてトランジスタ91のゲートに入力される。信号S107は、端子107に印加されてトランジスタ90のゲートに入力される。信号S108は、端子108に印加されてトランジスタ48のゲートに入力される。信号S109は、端子109に印加されてトランジスタ51のゲートに入力される。信号S111は、端子111に印加されてトランジスタ52のゲートに入力される。信号S112は、端子112に印加されてトランジスタ54のゲートに入力される。
A signal S21 illustrated in FIG. 10 indicates an output signal output to the
以下に、第4実施例に係る固体撮像素子の第2の駆動方法について、図9及び図10を参照しながら説明する。 Hereinafter, a second driving method of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
図10において、信号S21は列信号線21に出力される信号であり、FD部の初期状態と対応した複数の信号出力Vrefと、フォトダイオードに蓄積された電荷に対応した信号出力V1、V2、V3、V4及びV5が交互に出力される。
In FIG. 10, a signal S21 is a signal output to the
まず、1行目の単位画素のVref信号が期間t1に出力され、そのV1信号が期間t4に出力される。また、2行目の単位画素のVref信号が期間t3に出力され、そのV2信号が期間t6に出力しされるとし、以下順に3行目以降の単位画素の信号が同様に出力されるとして説明する。 First, the Vref signal of the unit pixel in the first row is output in the period t1, and the V1 signal is output in the period t4. Further, it is assumed that the Vref signal of the unit pixel in the second row is output in the period t3, the V2 signal is output in the period t6, and the signals of the unit pixels in the third row and thereafter are similarly output in the following order. To do.
まず、期間t1において、信号S100、S103が“HIGH”となって、トランジスタ80、84が導通する。トランジスタ80が導通すると、列信号線21から、1行目の画素単位のVref信号が第1の信号線21Aに伝わり、トランジスタ84が導通しているため、Vref値が容量85に保持される。
First, in a period t1, the signals S100 and S103 are “HIGH” and the
次に、期間t2において、信号S101が“HIGH”となって、トランジスタ81が導通すると、列信号線21の信号が第2の信号線21Bに伝わる。
Next, in the period t2, when the signal S101 becomes “HIGH” and the
次に、期間t3において、信号S100、S104、S106、S108及びS109が“HIGH”となって、トランジスタ80、83、91、48及び51が導通する。トランジスタ80、91が導通することにより、列信号線21の2行目の画素単位のVref値が容量92に保持される。一方、トランジスタ83、48及び51が導通することにより、容量85に保持されていた1行目の画素単位のVref信号がトランジスタ86及び電流源87で構成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に導かれる。端子110にはバイアス電圧Vbが印加されており、トランジスタ51が導通することにより、バイアス電圧Vbが容量49の下部電極に導かれる。従って、容量49の電極間には、電圧((Vref−Vt)−Vb)が保持される。ここで、Vtはトランジスタ86の閾値電圧である。これにより、容量50にはVb値が保持されると共に、第1の差分回路96の出力線56にもVb値が出力される。
Next, in the period t <b> 3, the signals S <b> 100, S <b> 104, S <b> 106, S <b> 108, and S <b> 109 are “HIGH”, and the
次に、期間t4において、信号S101、S102、S108及びS111が“HIGH”となって、トランジスタ81、82及び52が導通する。トランジスタ81、82が導通することにより、列信号線21から、1行目の単位画素のV1値が第2の信号線21Bに導かれ、トランジスタ86及び電流源87で形成されるソースフォロアを介して、容量49の上部電極に電圧(V1−Vt)値が導かれる。容量49の上部電極は、期間t3の(Vref−Vt)値に対し、期間t4においては(V1−Vt)となり、その電圧変化は(Vref−V1)となる。また、第1の差分回路96の出力線56には、この電圧変化を容量49(容量値C49)と容量50(容量値C50)との分圧値{(Vref-V1)×(C50/(C49+C50))}がVb値から変化して出力される。さらに、トランジスタ52が導通しているため、容量53には電圧値[Vb-{(Vref-V1)×(C50/(C49+C50))}]が保持される。すなわち、1行目の画素単位のVref値とV1値との差分に応じた値が容量53に保持される。
Next, in a period t <b> 4, the signals S <b> 101, S <b> 102, S <b> 108, and S <b> 111 are “HIGH” and the
以下、期間t5においては、3行目の単位画素のVref値が図示しない容量に保持されると共に、容量92で保持されていた2行目の画素単位のVrefが容量49の上部電極に導かれる。
Hereinafter, in the period t5, the Vref value of the unit pixel in the third row is held in a capacitor (not shown), and the Vref of the pixel unit in the second row held in the
また、期間t6においては、期間t4と同様な動作により、列信号線21のV2値が容量49の上部電極に導かれ、容量55には電圧値[Vb-{(Vref-V2)×(C50/(C49+C50))}]が保持される。すなわち、2行目の画素単位のVref値とV2値との差分に応じた値が容量55に保持される。
In the period t6, the V2 value of the
このように、第4実施例によると、第3実施例と同様に、FD部の初期状態と対応した信号出力のVrefと、フォトダイオードに蓄積された電荷に対応した信号出力V1、V2、V3、V4及びV5とを第1の差分回路96により各差分信号を出力して、単位画素当たり1個の容量を用いる第2の保持回路97に保持したことになる。
Thus, according to the fourth embodiment, similarly to the third embodiment, the signal output Vref corresponding to the initial state of the FD portion and the signal outputs V1, V2, V3 corresponding to the charges accumulated in the photodiodes. , V4 and V5 are output by the
以上のように、第3実施例の図6に説明した容量34、35、44、45、49、53及び55と、第4実施例の図9に説明した容量85、92、49、53及び55とには、アナログ値で信号電圧を保持している。
As described above, the
なお、図9に示した本実施形態に係る第1の保持回路95を構成する容量の容量値は、第2の保持回路97を構成する容量の容量値よりも大きくしている。これは第1の保持回路95の容量の数が第2の保持回路97の容量の数よりも少なく、また、容量値が大きい方がkTCノイズ(熱ノイズ)が小さくなるためである。
Note that the capacitance value of the capacitor constituting the
以上説明したように、本実施形態によると、各画素から出力された電気信号を保持する保持回路を、回路面積の制約を受けにくい画素回路の外部に配置するため、保持回路は、比較的に大きい容量(キャパシタ)を用いる等して、長時間にわたって画素回路よりも低ノイズで電気信号を保持することができる。その上、保持回路を第1の保持回路と第2の保持回路とに分け、さらに、第1の保持回路と第2の保持回路との間に第1の差分回路を設け、第1の保持回路と第1の差分回路とによって、対応する画素の初期化状態の電気信号と対応する画素の受光後の電気信号との差分電気信号を得られ、その差分電気信号を第2の保持回路に保持することにより、保持回路の面積を削減することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the holding circuit that holds the electric signal output from each pixel is arranged outside the pixel circuit that is not easily restricted by the circuit area, the holding circuit is relatively By using a large capacity (capacitor), an electric signal can be held for a long time with lower noise than the pixel circuit. In addition, the holding circuit is divided into a first holding circuit and a second holding circuit, and further, a first difference circuit is provided between the first holding circuit and the second holding circuit, and the first holding circuit is provided. The circuit and the first difference circuit can obtain a difference electric signal between the electric signal in the initialization state of the corresponding pixel and the electric signal after the light reception of the corresponding pixel, and the difference electric signal is supplied to the second holding circuit. By holding, the area of the holding circuit can be reduced.
以上、本実施形態に係る固体撮像素子について、実施例に基づいて説明したが、本発明は、本実施形態及び各実施例に限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が想到する各種変形を本実施形態及び各実施例に施したものも本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment has been described based on examples. However, the present invention is not limited to the present embodiment and each example. Unless it deviates from the meaning of the present invention, those in which various modifications conceived by those skilled in the art are applied to the present embodiment and each example are also included in the scope of the present invention.
本発明に係る固体撮像素子によると、画質の低下を抑えたグローバル動作が可能な固体撮像素子を得ることができ、C型の固体撮像素子等に有用である。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, a solid-state imaging device capable of global operation with suppressed deterioration in image quality can be obtained, which is useful for a C-type solid-state imaging device and the like.
1 画素回路
1−1 画素単位
1−2 画素単位
2 第1の保持回路
3 第1の差分回路
4 第2の保持回路
5 第2の差分回路
6 出力線
7 水平走査回路
8 垂直走査回路
10 フォトダイオード
11 転送トランジスタ
12 リセットトランジスタ
13 出力トランジスタ
14 行選択トランジスタ
15 フォトダイオード
16 転送トランジスタ
17 リセットトランジスタ
18 出力トランジスタ
19 行選択トランジスタ
20 電流源
21 列信号線
21A 第1の信号線
21B 第2の信号線
22、23、24、25、26、27 端子
30、31、32、33、36、37 トランジスタ
34、35 容量
38 電流源
40、41、42、43、46、47、48 トランジスタ
44、45、49、50、53、55 容量
51、52、54 トランジスタ
56 出力線
60〜74 端子
75 第1の保持回路
76 第1の差分回路
77 第2の保持回路
80、81、82、83、84、86 トランジスタ
85、92 容量
87 電流源
89、90、91、93 トランジスタ
95 第1の保持回路
96 第1の差分回路
97 第2の保持回路
100〜112 端子
801、802、803、804、815、816 トランジスタ
805 出力線
813、814 容量
820 第2の差分回路
821〜827 端子
1 pixel circuit 1-1 pixel unit 1-2
Claims (7)
列ごとに設けられ、対応する列の複数の前記画素から出力される電気信号を順次転送する複数の列信号線と、
列ごとに設けられ、対応する前記画素の初期化状態の第1の電気信号を保持する第1の容量と、対応する前記画素の受光後の第2の電気信号を保持する第2の容量とを有し、対応する列の前記列信号線を通して前記画素から転送された前記第1及び第2の電気信号を保持する第1の保持回路と、
列ごとに設けられ、対応する列の前記第1の保持回路の前記第1の容量に保持されている前記第1の電気信号と前記第2の容量に保持されている前記第2の電気信号との差分を取る第1の差分回路と、
前記第1の差分回路から出力される差分の電気信号を保持する第2の保持回路と、
前記第2の保持回路に保持される前記差分の電気信号と基準電圧との差分をとる第2の差分回路とを備えていることを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged in a matrix and each outputting an electrical signal corresponding to the amount of received light;
A plurality of column signal lines provided for each column and sequentially transferring electrical signals output from the plurality of pixels in the corresponding column;
A first capacitor which is provided for each column and holds a first electric signal in an initialization state of the corresponding pixel; and a second capacitor which holds a second electric signal after light reception of the corresponding pixel. A first holding circuit that holds the first and second electric signals transferred from the pixel through the column signal line of the corresponding column;
The first electric signal provided in each column and held in the first capacitor of the first holding circuit in the corresponding column and the second electric signal held in the second capacitor A first difference circuit that takes the difference between
A second holding circuit for holding an electric signal of the first differential circuit or RaIzuru force is the difference,
A solid-state imaging device, comprising: a second difference circuit that obtains a difference between the difference electric signal held in the second holding circuit and a reference voltage .
前記フォトダイオードの出力側と接続された転送トランジスタと、
前記フォトダイオードにより生成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、
前記フローティングディフュージョン部を初期化状態に設定するリセットトランジスタと、
ゲートが前記フローティングディフュージョン部と接続され、前記フローティングディフュージョン部によって変換された電圧に応じた電気信号を出力する出力トランジスタとを有し、
前記各画素は、所定の複数行ごとにグループ化されており、グループごとの画素に含まれる、前記リセットトランジスタ及び転送トランジスタのゲートは、前記グループごとに共通に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 Each of the pixels includes a photodiode that generates a charge according to the amount of light received;
A transfer transistor connected to the output side of the photodiode;
A floating diffusion section that converts the charge generated by the photodiode and transferred through the transfer transistor into a voltage;
A reset transistor for setting the floating diffusion portion to an initialized state;
A gate connected to the floating diffusion portion, and an output transistor that outputs an electrical signal corresponding to a voltage converted by the floating diffusion portion,
The pixels are grouped into a plurality of predetermined rows, and the gates of the reset transistor and the transfer transistor included in the pixels of each group are connected in common to the groups. The solid-state imaging device according to claim 1 .
列ごとに設けられ、対応する列の複数の前記画素から出力される電気信号を順次転送する複数の列信号線と、
列ごとに設けられ、対応する画素の初期化状態の第1の電気信号を保持する容量を有し、対応する列の前記列信号線を通して前記画素から転送された前記第1の電気信号を保持する第1の保持回路と、
列ごとに設けられ、対応する列の前記第1の保持回路の前記容量に保持されている、対応する前記画素の初期化状態の前記第1の電気信号と、対応する前記画素の受光後の第2の電気信号との差分を取る第1の差分回路と、
前記第1の差分回路から出力される差分の電気信号を保持する第2の保持回路と、
前記第2の保持回路に保持される前記差分の電気信号と基準電圧との差分をとる第2の差分回路とを備えていることを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged in a matrix and each outputting an electrical signal corresponding to the amount of received light;
A plurality of column signal lines provided for each column and sequentially transferring electrical signals output from the plurality of pixels in the corresponding column;
Provided for each column , having a capacity for holding the first electric signal in the initialization state of the corresponding pixel, and holding the first electric signal transferred from the pixel through the column signal line of the corresponding column A first holding circuit that
Provided for each column, is held in the capacitor of the first holding circuit in the corresponding column has a first electrical signal in the initial state of the corresponding pixel, after reception of the corresponding pixels a first differential circuit which takes the difference between the second electrical signal,
A second holding circuit for holding a differential electric signal output from the first difference circuit;
A solid-state imaging device, comprising: a second difference circuit that obtains a difference between the difference electric signal held in the second holding circuit and a reference voltage .
前記フォトダイオードの出力側と接続された転送トランジスタと、
前記フォトダイオードにより生成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、
前記フローティングディフュージョン部を初期化状態に設定するリセットトランジスタと、
ゲートが前記フローティングディフュージョン部と接続され、前記フローティングディフュージョン部によって変換された電圧に応じた電気信号を出力する出力トランジスタとを有し、
前記各画素は、複数行の前記リセットトランジスタのゲートに印加する信号が時間的に重なりを有すると共に、複数行の前記転送トランジスタのゲートに印加する信号が時間的に重なりを有していることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像素子。 Each of the pixels includes a photodiode that generates a charge according to the amount of light received;
A transfer transistor connected to the output side of the photodiode;
A floating diffusion section that converts the charge generated by the photodiode and transferred through the transfer transistor into a voltage;
A reset transistor for setting the floating diffusion portion to an initialized state;
A gate connected to the floating diffusion portion, and an output transistor that outputs an electrical signal corresponding to a voltage converted by the floating diffusion portion,
In each of the pixels, signals applied to the gates of the reset transistors in a plurality of rows have temporal overlap, and signals applied to the gates of the transfer transistors in a plurality of rows have temporal overlap. The solid-state imaging device according to claim 3 , wherein
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