JP5478905B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、特にビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、イメージスキャナ、携帯電話等の移動端末のイメージ入力装置等に広範に用いられる固体撮像装置に関するものである。
特許文献１（特開２００８−０８５９９４号公報）は、固体撮像装置において、外乱ノイズが信号に重畳されることを抑制する方法について記載したものである。この固体撮像装置は、複数の画素が行方向及び列方向に配列された画素と、前記画素の配列における各列の画素から信号を読み出す複数の読み出し回路と、前記複数の読み出し回路のそれぞれを制御する制御部とを備える。前記複数の読み出し回路は、外部から供給された参照電圧を保持する保持部と、前記保持部で保持した前記参照電圧に基づいて前記各列の画素の信号を増幅する演算増幅部と、前記外部と前記保持部とを電気的に遮断する遮断部とを備える。前記制御部は、前記演算増幅部が前記各列の画素の信号を増幅する際に前記外部と前記保持部とを電気的に遮断するように前記遮断部を制御する。
このように、外部から供給された参照電圧に外乱ノイズが混入していても、保持部で参照電圧を保持し、外部と保持部を遮断することで、外乱ノイズが前記増幅部に入力しないように工夫がなされている。
特許文献１に記載された課題と解決手段の原理について簡単に説明する。図１１は特許文献１に記載の固体撮像装置の構成図、図１２は信号読出しの為のタイミンングチャートである。
時刻ｔ０において、制御線ＰＳＥＬ１がハイレベルとなり、ＭＯＳトランジスタ５１０５がターンオン状態となる。ほぼ同時刻に、制御線ＰＲＥＳ１がローレベルとなり、ＭＯＳトランジスタ５１０３がターンオフ状態となる。さらにほぼ同時刻に制御信号ＰＣＶＲがローレベルとなりＭＯＳトランジスタ５０４５がターンオフ状態となる。また、制御信号ＰＣ０ＲがハイレベルとなりＭＯＳトランジスタ５０４１がターンオン状態となる。この状態では、ＭＯＳトランジスタ５１０４のゲートがフローティングになり、画素のノイズ信号Ｎとして、垂直出力線５１０６により容量５０３１に入力される。なお、この時、ＭＯＳトランジスタ５０４１はターンオン状態である。
その後、時刻ｔ１において、制御信号ＰＣ０Ｒをローレベルにし、ＭＯＳトランジスタ５０４１をターンオフ状態とし、ノイズ信号Ｎを容量５０３１に保持する。
ついで、時刻ｔ２において制御信号ＰＴＸ１によりＭＯＳトランジスタ５１０２をターンオン状態にする。すると、光電変換部５１０１で光電変換された光信号ＳがＭＯＳトランジスタ５１０４のゲートに入力され、画素のノイズ信号Ｎに光信号Ｓを重畳したＳ＋Ｎ信号が垂直共通出力線５１０６により容量５０３１に入力される。容量５０３１、増幅器５０４０、スイッチ５０４１により、Ｓ＋Ｎ信号はノイズ信号Ｎでクランプされるので、Ｓ＋Ｎ−Ｎ＝Ｓ信号を取り出すことができる。それと同時に、容量５０３１÷容量５０４２の比のゲインＧが光信号Ｓにかかり、基準電圧ＶＲＥＦに重畳された信号、すなわち、Ｇ×Ｓ＋ＶＲＥＦという信号が増幅器５０４０の出力として現れる。
さらに、時刻ｔ３でＭＯＳトランジスタ５０３２をターンオン状態にし、増幅器５０４０の出力を容量５０３３に書き込み、時刻ｔ４のＧ×Ｓ＋ＶＲＥＦを保持する。
ここで、図１２のＶＲＥＦの実線は理想的な基準電圧であるが、実際には外乱ノイズの影響により、破線のような信号になる。仮にＭＯＳトランジスタ５０４５、容量５０４６や制御信号ＰＣＶＲのような制御信号がなく基準電圧ＶＲＥＦが増幅器５０４０の正入力端子に直接入力されている場合を考える。その場合、時刻ｔ１でのＶＲＥＦ＋α、時刻ｔ４でのＶＲＥＦ＋βの差分α−βがノイズ信号として、増幅器５０４０の出力に現れる。容量５０３３に保持される実際の信号はＧ×(Ｓ＋α−β)＋ＶＲＥＦ＋βとなる。基準電圧ＶＲＥＦの外乱ノイズのα−βにゲインＧがかかってしまい、ノイズが強調される。このノイズは、行単位で発生するもので、横線状のランダムなノイズとして視認される。このノイズは、横引きノイズと呼ばれる。
特許文献１では、ＶＲＥＦの信号をＰＣＶＲに同期して、容量５０４６に保持した信号を増幅器５０４０の正入力端子に入力している。そうすることにより、基準電圧ＶＲＥＦに破線のような外乱ノイズが混入していても、時刻ｔ０において容量５０４６に基準電圧ＶＲＥＦ＋αが保持され、時刻ｔ４まで保持し続ける。従って、ノイズ信号Ｎを容量５０３１に保持する時刻ｔ１と増幅器５０４０の信号を容量５０３３に保持する時刻ｔ４の基準電圧ＶＲＥＦの差分は０である。増幅器５０４０の出力にも、容量５０３３の保持信号にも、基準電圧ＶＲＥＦの外乱ノイズにゲインがかかることはない。特許文献１の中でいわれている外乱ノイズの原因として、基準電圧ＶＲＥＦを生成している外部供給されるレギュレータのノイズが考えられる。固体撮像装置が形成された半導体チップの内部で基準電圧ＶＲＥＦを生成しても、内部生成回路、例えばレギュレータのノイズにより前述の外乱ノイズと同様のノイズが発生する。
しかしながら、特許文献１の対策だけではノイズの抑制が不十分である。画素部を制御線するＰＲＥＳ１(２)、ＰＴＸ１(２)、ＰＳＥＬ１(２)のハイレベル又はローレベルがノイズによりゆらいでいる場合を考える。その場合、画素部の信号保持部であるＭＯＳトランジスタ５１０４のゲート容量及び寄生容量を介して各制御線が画素の信号保持部と容量結合することで、画素部の信号保持部にノイズ混入させてしまうことになる。図１２のような読み出しをした場合、時刻ｔ１における画素部の信号保持部のノイズをＡとし、時刻ｔ４における画素部の信号保持部のノイズをＢとすると、最終的に容量５０３３に保持される信号は、Ｇ×(Ｓ＋Ａ−Ｂ)＋ＶＲＥＦとなる。この式によると、制御線のノイズが容量結合により画素部の信号保持部にノイズを与え、時刻ｔ１と時刻ｔ２のノイズ差分Ａ−ＢにゲインＧがかかった信号が容量５０３３に現れる。
また、ここでいう制御線ＰＲＥＳ１(２)、ＰＴＸ１(２)、ＰＳＥＬ１(２)のハイレベル又はローレベルがノイズとは、制御線を駆動する駆動バッファの電源ノイズによるものである。前記電源は固体撮像装置を形成している半導体チップの外部から供給しても、チップ内で生成でも同じことである。
本発明の目的は、制御線に生じるノイズによる悪影響を防止することができる固体撮像装置を提供することである。
本発明の固体撮像装置は、各々が光電変換により信号を生成する光電変換部及び複数のトランジスタを有する複数の画素と、前記画素内の複数のトランジスタに駆動パルスを供給する制御線と、前記制御線を駆動する駆動バッファと、前記駆動バッファの電源端子に対して電源回路及び容量を接続することにより電源電圧を供給する第１の経路と前記駆動バッファの電源端子に対して前記電源回路を接続せずに前記容量を接続することにより電源電圧を供給する第２の経路とを切り替える切替スイッチとを有することを特徴とする。
画素の制御線に混入するノイズを起因とする横引きノイズを防止することができる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の全体構成図である。１０１は画素である。１０２は、光電変換により電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ１０３は、光電変換部１０２の信号電荷を読み出す為のＭＯＳトランジスタである。リセットスイッチ１０４は、信号電荷をリセットする為のＭＯＳトランジスタである。アンプ１０５は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタである。選択スイッチ１０６は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の出力を読み出す為の行選択ＭＯＳトンランジスタである。これらにより構成される複数の画素１０１は、半導体基板上に２次元アレイに配列されている。１０７は複数の画素１０１の出力を読み出す為の垂直共通出力線、１０８は複数の画素１０１のソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０６の定電流負荷である。ＭＯＳトランジスタ１０３、１０４、１０５は画素１０１の水平方向に配線される制御線１１９、１２０、１２１に接続されている。１２２はソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力端子と制御線１１９、１２０、１２１との間に生じる寄生容量である。１０９、１１０、１１１は駆動バッファである。制御線１１９、１２０、１２１には垂直走査回路１５１から制御信号が供給され、一旦波形を整形する駆動バッファ１０９、１１０、１１１を通して信号が供給される。駆動バッファ１０９、１１０、１１１のハイレベル、ローレベルは、電源回路１４１〜１４６から供給された電荷を容量１１２、１１３、１１４に蓄積し、これらの容量の電荷から供給される。容量１１２、１１３、１１４の基準電位すなわちグランド電位ＧＮＤは、画素１０１を構成する素子の基準電位すなわちグランド電位ＧＮＤと低インピーダンスであることが望ましい。
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の全体構成図である。１０１は画素である。１０２は、光電変換により電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ１０３は、光電変換部１０２の信号電荷を読み出す為のＭＯＳトランジスタである。リセットスイッチ１０４は、信号電荷をリセットする為のＭＯＳトランジスタである。アンプ１０５は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタである。選択スイッチ１０６は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の出力を読み出す為の行選択ＭＯＳトンランジスタである。これらにより構成される複数の画素１０１は、半導体基板上に２次元アレイに配列されている。１０７は複数の画素１０１の出力を読み出す為の垂直共通出力線、１０８は複数の画素１０１のソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０６の定電流負荷である。ＭＯＳトランジスタ１０３、１０４、１０５は画素１０１の水平方向に配線される制御線１１９、１２０、１２１に接続されている。１２２はソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力端子と制御線１１９、１２０、１２１との間に生じる寄生容量である。１０９、１１０、１１１は駆動バッファである。制御線１１９、１２０、１２１には垂直走査回路１５１から制御信号が供給され、一旦波形を整形する駆動バッファ１０９、１１０、１１１を通して信号が供給される。駆動バッファ１０９、１１０、１１１のハイレベル、ローレベルは、電源回路１４１〜１４６から供給された電荷を容量１１２、１１３、１１４に蓄積し、これらの容量の電荷から供給される。容量１１２、１１３、１１４の基準電位すなわちグランド電位ＧＮＤは、画素１０１を構成する素子の基準電位すなわちグランド電位ＧＮＤと低インピーダンスであることが望ましい。
１１５、１１６、１１７は電源回路１４１〜１４６と容量１１２、１１３、１１４とを遮断する切替スイッチ（開閉器）である。１２３、１２４、１２８は容量、１２６は増幅器、１２５、１２７はスイッチである。容量１２３、１２４、増幅器１２６を用いて、垂直共通出力線１０７を通して読み出された画素１０１の信号にゲインを掛け、スイッチ１２７を通して容量１２８に信号を保持する。これは、いわゆる列ノイズ除去回路及び列ゲイン手段の役割である。１２９は容量１２８と水平共通出力線１３０とを接続・切断する為のスイッチ、１３１は水平共通出力線１３０を通して読み出された信号を増幅する為の増幅器である。
図２は、図１の固体撮像装置の駆動タイミングチャートである。時刻ｔ０において、制御線ＰＳＥＬ１がローレベルからハイレベルに遷移しＭＯＳトランジスタ１０６がオンする。また、制御線ＰＲＥＳ１がハイレベルからローレベルに遷移し、ＭＯＳトンジスタ１０４がターンオフする。
次に、時刻ｔ１において開閉器制御手段１５３から供給される信号により切替スイッチ１１５、１１６、１１７はターンオフし、駆動バッファ１０９、１１０、１１１の電源は容量１１２、１１３、１１４から賄われることになる。
時刻ｔ１〜ｔ２の間は、制御信号ＰＣ０Ｒがハイレベルとなり、ＭＯＳトランジスタ１２５はターンオフし、容量１２３、増幅器１２６はクランプ状態になる。画素のフローティング状態になったソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートのノイズ信号ＮをソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の出力としてＭＯＳトランジスタ１０６、垂直共通出力線１０７を通して容量１２３に入力する。
その後、時刻ｔ３〜ｔ４においてＭＯＳトランジスタ１０３をターンオンし、光電変換部１０２の光信号Ｓをフローティング状態になったＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートに読み出す。前のノイズ信号Ｎに光信号Ｓを重畳させた信号をＭＯＳトランジスタ１０５、１０６、垂直共通出力線１０７を通して容量１２３に入力すると、増幅器１２６の出力には光信号Ｓにゲインがかかった信号電圧が読み出される。
その後、時刻ｔ５〜ｔ６において制御信号ＰＴによりスイッチ１２７をターンオンさせ、増幅器１２６の出力を容量１２８に保持する。
次に、時刻ｔ７において、開閉器制御手段１５３から供給される信号により切替スイッチ１１５、１１６、１１７はターンオンし、駆動バッファ１０９、１１０、１１１に電源を供給して、容量１１２、１１３、１１４に電源回路１４１〜１４６から充電する。その結果、駆動バッファ１０９、１１０、１１１の電源は、電源回路１４１〜１４６と容量１１２、１１３、１１４から供給されることになる。その後、水平走査回路１５２によってスイッチ１２９を順次、信号ＰＨ１、ＰＨ２、ＰＨ３によってターンオンさせることで、容量１２８に保持された信号を、水平共通出力線１３０を介し増幅器１３１でバッファし、ゲインをかけて信号を出力する。以後のこの繰り返しを次の行においても繰り返すことで、２次元配列された画素の信号を走査していく。
時刻ｔｓ〜ｔ０の期間は、制御線ＰＳＥＬ１の駆動バッファ１１１のローレベル電源は電源回路１４６に接続されており、電源回路１４５のノイズが制御線ＰＳＥＬ１に現れる。また、制御線ＰＴＸ１の駆動バッファ１１０のローレベル電源は電源回路１４３に接続されており、電源回路１４３のノイズが制御線ＰＴＸ１に現れる。同様に、制御線ＰＲＥＳ１には電源回路１４２のノイズが現れる。画素信号を保持するソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートは、制御線ＰＳＥＬ１、ＰＲＥＳ１、ＰＴＸ１とは寄生容量１２２により容量結合している。その為、制御線のノイズがソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートの画素信号にも現れる。
次に、時刻ｔ０〜ｔ１の期間は、制御線ＰＳＥＬ１には電源回路１４６のノイズが、制御線ＰＴＸ１には電源回路１４３のノイズが、制御線ＰＲＥＳ１には電源回路１４１のノイズが現れる。これらの制御線との容量結合により、ソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートの画素信号にも電源回路のノイズが現れる。しかしながら、時刻ｔ１において開閉器制御手段１５３の信号を遷移させることで切替スイッチ１１５、１１６、１１７をターンオフさせる。これにより、電源回路１４１〜１４６のノイズが制御線の駆動バッファ１０９、１１０、１１１に伝達しないようにして、駆動バッファ１０９、１１０、１１１には容量１１５、１１６、１１７から電源を供給する。そうすることで、時刻ｔ１〜ｔ７には電源回路のノイズが制御線に現れなくなり、ソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートの画素信号にもノイズが現れなくなる。
その状況で時刻ｔ２において、画素を構成する素子のばらつきによる固定パターンノイズのノイズ信号Ｎを、クランプ基準電圧として容量１２３に保持する。
次に、時刻ｔ３では、ＭＯＳトランジスタ１０３をターンオンして光電変換部１０２の光信号ＳをＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートに読み出し、先ほどのノイズ信号Ｎに光信号Ｓを重畳させる（Ｓ＋Ｎ信号）。この信号を同じく容量１２３に入力し、増幅器１２６、容量１２３、１２４のクランプ動作で、光信号Ｓのみにゲインをかけて読み出す。
その後、時刻ｔ５〜ｔ６にスイッチ１２７をターンオンして、容量１２８にゲインをかけた光信号Ｓを保持する。こうすることにより、ノイズ信号Ｎをクランプし終わる時刻ｔ２から、容量１２８にゲインをかけた光信号Ｓを保持する時刻ｔ６までの期間に、以下の効果が得られる。すなわち、電源回路１４１〜１４６のノイズが制御線の駆動バッファ経由でソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートの画素信号に伝達するのを阻止する効果が得られる。当然、画素１０１と同じ行に配列されている画素においても、同様な効果が得られ、横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。言うまでもないが、制御線ＰＲＥＳ１、ＰＴＸ１、ＰＲＥＳ１のうち少なくとも１つにおいて、開閉器制御手段１５３による制御しても効果は得られる。
また、図３（Ａ）に示すようにＭＯＳトランジスタ１０３、１０４とソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲート間には、容量３０１のようなゲート−ソース(ドレイン)間容量が寄生する。
図３（Ｂ）は、ゲート−ソース(ドレイン)間容量をＭＯＳトランジスタの断面図で示している。３０１は、ウエル又は半導体基板である。３０２は、ソース又はドレインである。３０３は、ゲート−ソース（ドレイン）間容量である。３０４は、ゲート酸化膜である。３０５は、ゲート電極である。３０６は、シリコン界面である。図からわかるように、制御線の中でもＭＯＳトランジスタ１０３と１０４を制御する制御線１１９、１２０が特に本実施形態による効果が期待できる。
画素から信号を読み出し、画素外部の列ノイズ除去回路でクランプ処理する以外の動作においては、切替スイッチ１１６をターンオンして電源回路から駆動バッファに電源を供給しても構わない。具体的には、全行の制御線１１９を遷移させて全画素のＭＯＳトランジスタ１０３をターンオンさせ、光電変換部１０２の信号をソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５のゲート入力部に保持する場合である。容量１１３から全行の駆動バッファ１０９に電源を供給するのは困難な場合がある。そのような場合は、切替スイッチ１１６をターンオンして電源回路から駆動バッファに電源を供給しても構わない。あくまでも、画素のノイズ信号ＮとＳ＋Ｎ信号を減算する期間ｔ１〜ｔ６において、電源回路のノイズを遮断すれば横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。これは、他の制御線１２０及び１２１や、他の駆動バッファ１０９及び１１１や、他の容量１１２及び１１１においても同様である。また、容量１１２、１１３、１１４の容量は制御線１２０、１１９、１２１に付く寄生容量よりも大きいことが望ましい。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成図である。各画素のＭＯＳトランジスタに接続されている制御線１１９、１２０、１２１に、それぞれ容量４１２、４１３、４１４が接続されている。容量４１２、４１３、４１４と駆動バッファ４０９、４１０、４１１の間には切替スイッチ４１５、４１６、４１７が挿入されている。容量４１５、４１６、４１７は開閉器制御手段１５３の信号により制御される。その他、垂直共通出力線、低電流負荷、列ノイズ除去回路、列ゲイン手段、水平共通出力線、水平走査回路１５２、増幅器は図１と同様なため、図４では説明を省略する。
図４は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成図である。各画素のＭＯＳトランジスタに接続されている制御線１１９、１２０、１２１に、それぞれ容量４１２、４１３、４１４が接続されている。容量４１２、４１３、４１４と駆動バッファ４０９、４１０、４１１の間には切替スイッチ４１５、４１６、４１７が挿入されている。容量４１５、４１６、４１７は開閉器制御手段１５３の信号により制御される。その他、垂直共通出力線、低電流負荷、列ノイズ除去回路、列ゲイン手段、水平共通出力線、水平走査回路１５２、増幅器は図１と同様なため、図４では説明を省略する。
駆動タイミングは図２と同じである。時刻ｔ０において、駆動バッファ４０９、４１０、４１１によって、制御線１１９、１２０、１２１及び容量４１２、４１３、４１４が駆動され、ＭＯＳトランジスタ１０４はターンオフし、ＭＯＳトランジスタ１０５はターンオンする。ＭＯＳトランジスタ１０３は時刻ｔ１〜ｔ２及び、時刻ｔ５〜ｔ６ではターンオフ、時刻ｔ３〜ｔ４ではターンオンする。
その後、時刻ｔ１において開閉器制御手段１５３の信号によって切替スイッチ４１５、４１６、４１７はターンオフされ、制御線１１９、１２０、１２１は容量４１２、４１３、４１４によって保持される。こうすることで、画素のノイズ信号Ｎをクランプし終わる時刻ｔ２から、光信号Ｓを保持する時刻ｔ６までの期間に、電源回路１４０のノイズが制御線の駆動バッファ経由でＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートに伝達するのを阻止する効果が得られる。当然画素１０１と同じ行に配列されている画素においても、同様な効果が得られ、横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。
本実施形態では、全ての画素を制御する制御線ＰＲＥＳ１(１２０)、ＰＳＥＬ１(１２１)、ＰＳＥＬ２、ＰＲＥＳ２を同時に開閉器制御手段１５３により制御しているが、これに限定されない。例えば、図５のように、垂直走査回路１５１から信号線５９８、５９９を介して切替スイッチ４１５、４１６、４１７に制御信号を供給して読み出しをしている行のみを制御してもよい。また、言うまでもないが、制御線ＰＲＥＳ１、ＰＲＥＳ１、ＴＸ１のいずれか一方において、開閉器制御手段１５３による制御しても効果は得られる。
図６は、図４及び図５の２個の画素１０１の他の構成例である。６０１及び６０２は、光電変換により電荷を生成する光電変換部である。６０３及び６０４は光電変換部６０１及び６０２の信号電荷を読み出す為のＭＯＳトランジスタである。６０５は信号電荷をリセットする為のＭＯＳトランジスタである。６０６はソースフォロワＭＯＳトランジスタである。６０７はソースフォロワＭＯＳトランジスタ６０６の出力を読み出す為の行選択ＭＯＳトンランジスタである。２対の光電変換部６０１及び６０２、２対のＭＯＳトランジスタ６０３及び６０４のほかは、ＭＯＳトランジスタ６０５、６０６、６０７は１対の構成になっている。この画素構成において、光電変換部６０１の信号を読み出す際には、制御線ＰＴＸＡ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬを駆動する駆動バッファの電源は固体撮像装置が形成された半導体基板内の保持容量から供給する。これにより、電源回路１４０のノイズを画素信号に伝達するのを阻止できる。同じく、光電変換部６０２を読み出すためのＭＯＳトランジスタ６０４を制御する制御線ＰＴＸＢを駆動する駆動バッファの電源も固体撮像装置内の保持容量から供給することで、電源回路１４０のノイズが画素信号に伝達されるのを阻止することができる。画素１０１と同じ行に配列されている画素においても、同様な効果が得られ、横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。
本実施形態では、制御線１１９、１２０、１２１と容量４１２、４１３、４１４を駆動バッファ４０９、４１０、４１１で所望の電位に遷移させた後に、駆動バッファと制御線を切替スイッチ４１５〜４１７により遮断し、容量により制御線の所望の電位で保持する。制御線１１９〜１２１を所望の電位に駆動した後、制御線１１９〜１２１及び容量４１２〜４１４を駆動バッファ４０９〜４１１から遮断する。そのため、遮断後に電力を消費する事がないため制御線１１９〜１２１の電位変動はなく、制御線１１９〜１２１を安定した状態で制御できるというメリットがある。
また、２対の光電変換部６０１、６０２、ＭＯＳトランジスタ６０３、６０４の構成だけでなく、３対以上の複数対の画素構成においても、同様の制御方法をすることで、同じ効果が得られる。３対以上の複数対の画素構成においても、第１の実施形態のような制御線を駆動する駆動バッファの電源を容量保持する解決手段を用いて本実施形態と同じ効果が得られる。
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の構成図である。図７は固体撮像装置の画素部の一部と垂直走査回路１５１の一部を示す図であり、図８は図７の固体撮像装置の駆動タイミングチャートである。画素に行選択ＭＯＳトランジスタを含まず、リセットＭＯＳトランジスタ１０４のドレイン電源を変位させることで画素の行を選択する回路構成の例である。読み出し回路、水平走査回路１５２は第１及び第２の実施形態と同じものを使用する。図１と共通の部品は同じ符号で表記しており説明を割愛する。
図７は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の構成図である。図７は固体撮像装置の画素部の一部と垂直走査回路１５１の一部を示す図であり、図８は図７の固体撮像装置の駆動タイミングチャートである。画素に行選択ＭＯＳトランジスタを含まず、リセットＭＯＳトランジスタ１０４のドレイン電源を変位させることで画素の行を選択する回路構成の例である。読み出し回路、水平走査回路１５２は第１及び第２の実施形態と同じものを使用する。図１と共通の部品は同じ符号で表記しており説明を割愛する。
図７が図１と異なる点は、ＭＯＳトランジスタ１０４のドレイン電源を遷移させる制御線ＰＶＲＥＳ１（７２１）が画素７０１の水平方向に配線されていることである。制御線７２１は、リセットＭＯＳトランジスタ１０４のリセット電位を制御する。制御線ＰＶＲＥＳ１においても、画素信号を保持するソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５のゲートと寄生容量７２２により容量結合している。第１の実施形態と同様に制御線ＰＲＥＳ１（７２０）、ＰＴＸ１（７１９）を駆動する駆動バッファ７１０、７１１の電源端子を容量７１３、７１４と切替スイッチ７１６、７１７で電源回路１４３、１４４、１４５、１４６と遮断している。制御線ＰＶＲＥＳ１についても、容量７１５と切替スイッチ７１６で駆動バッファ７０９の電源端子を電源回路１４１、１４２と遮断する。これにより、電源回路１４１〜１４６のノイズが制御線の駆動バッファ経由でソースフォロワＭＯＳトランジスタ１０５の入力ゲートに保持される画素信号に伝達するのを阻止する効果が得られる。当然、画素７０１と同じ行に配列されている画素においても、第１及び第２の実施形態と同様な効果が得られ、横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。
また、図９について同様に横引きノイズのない良質な画像を提供することができる。図９が図７と異なる点を説明する。図９では、制御線を駆動する駆動バッファ７０９〜７１１の電源端子を、容量７１２〜７１４と切替スイッチ７１５〜７１７により電源回路１４０から遮断するのではない。図９では、制御線７１９、７２０、７２１を容量７１２、７１３、７１４と切替スイッチ７１５、７１６、７１７とにより駆動バッファ７０９、７１０、７１１から遮断している。
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の配置図である。固体撮像装置は、開閉器制御手段１５１、電源回路１４１，１４２、切替スイッチ１１５、垂直走査回路１５１、容量１１２、駆動バッファ１０９及び画素領域１００１を有する。図１の駆動バッファ１０９と、容量１１２、垂直走査回路１５１、画素領域１００１の位置関係を図１０に示す。容量１１２は、垂直走査回路１５１の走査方向に沿って縦長に配置されている。こうすることで、容量１１２のみで使用する面積を節約することができ、低コストで、且つ横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。
図１０は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の配置図である。固体撮像装置は、開閉器制御手段１５１、電源回路１４１，１４２、切替スイッチ１１５、垂直走査回路１５１、容量１１２、駆動バッファ１０９及び画素領域１００１を有する。図１の駆動バッファ１０９と、容量１１２、垂直走査回路１５１、画素領域１００１の位置関係を図１０に示す。容量１１２は、垂直走査回路１５１の走査方向に沿って縦長に配置されている。こうすることで、容量１１２のみで使用する面積を節約することができ、低コストで、且つ横引きノイズの無い良質な画像を提供することができる。
その他の駆動バッファ１１０及び１１２、容量１１３、１１４についても同様なレイアウトをすると同様の効果が得られる。また。電源回路は固体撮像装置内に構成されていても、外部に構成されていても同様な効果が得られる。
第１〜第４の実施形態によれば、画素の制御線に混入するノイズを起因とする、横引きノイズを解消した固体撮像装置を提供することができる。
図１及び図７の固体撮像装置では、複数の画素１０１，７０１は、光電変換により信号を生成する光電変換部１０２を有する。制御線１１９〜２１２，７１９〜７２１は、画素１０１，７０１を駆動する制御信号を供給する。駆動バッファ１０９〜１１１，７０９〜７１１は、制御線１１９〜２１２，７１９〜７２１を駆動する。切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、第１の経路と第２の経路とを切り替える。第１の経路は、電源回路１４１〜１４６から駆動バッファ１０９〜１１１，７０９〜７１１の電源端子に電源電圧を供給する経路である。第２の経路は、容量１１２〜１１４，７１２〜７１４から駆動バッファ１０９〜１１１，７０９〜７１１の電源端子に電源電圧を供給する経路である。
図１では、画素１０１は、転送スイッチ１０３と、リセットスイッチ１０４と、アンプ１０５と、選択スイッチ１０６とを有する。転送スイッチ１０３は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する。リセットスイッチ１０４は、光電変換部１０２の信号をリセットする。アンプ１０５は、転送スイッチ１０３により転送された信号を増幅する。選択スイッチ１０６は、アンプ１０５の信号出力を選択する。制御線１１９〜２１２は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６を制御する。
また、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６は、ＭＯＳトランジスタである。制御線１１９〜２１２は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６のゲート電極に接続されている。
図７では、画素７０１は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する転送スイッチ１０３と、光電変換部１０２の信号をリセットするリセットスイッチ１０４と、転送スイッチ１０３により転送された信号を増幅するアンプ１０５とを有する。制御線７１９〜７２１は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４、及びリセットスイッチ１０４のリセット電位を制御する。
また、容量１１２〜１１４，７１２〜７１４の電源電圧保持電極の対向電極は、画素１０１，７０１の基準電位（例えばグランド電位）と導通している。
図２及び図８において、切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、画素１０１，７０１の信号を画素外に読み出している画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択する。
また、切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、前記画素信号読み出し期間を除く期間において、前記第１の経路を選択する。
また、画素１０１，７０１は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する転送スイッチ１０３と、光電変換部１０２の信号をリセットするリセットスイッチ１０４とを有する。制御線１１９，１２０，７１９，７２０は、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０４を制御する。切替スイッチ１１５，１１６，７１５，７１６は、少なくとも、リセットスイッチ１０４を制御する期間及び転送スイッチ１０３を制御する期間では、前記第１の経路を選択する。
また、垂直出力線１０７は、画素１０１，７０１の信号を出力するための出力線である。増幅器１２６は、垂直出力線１０７の信号を増幅する。切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、増幅器１２６が１倍以上のゲインで増幅する場合に、前記画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択する。
また、画素１０１，７０１は、２次元行列状に配列される。容量１１２〜１１４，７１２〜７１４は、画素１０１，７０１の行毎に分割される。駆動バッファ１０９〜１１１，７０９〜７１１は、画素１０１，７０１の行毎に設けられる。駆動バッファ１０９〜１１１，７０９〜７１１の電源端子は、行毎に前記第２の経路を介して容量１１２〜１１４，７１２〜７１４に接続される。
また、図４、図５及び図９の固体撮像装置では、複数の画素１０１，７０１は、光電変換により電荷を生成する光電変換部１０２を有する。制御線１１９〜１２１，７１９〜７２１は、画素１０１，７０１を駆動する制御信号を供給する。駆動バッファ４０９〜４１１，７０９〜７１１は、制御線１１９〜１２１，７１９〜７２１を駆動する。切替スイッチ４１５〜４１７，７１５〜７１７は、第１の経路と第２の経路とを切り替える。第１の経路は、駆動バッファ４０９〜４１１，７０９〜７１１から制御線１１９〜１２１，７１９〜７２１に制御信号を供給する経路である。第２の経路は、容量４１２〜４１４，７１２〜７１４から制御線１１９〜１２１，７１９〜７２１に制御信号を供給する経路である。
図４及び図５では、画素１０１は、転送スイッチ１０３と、リセットスイッチ１０４と、アンプ１０５と、選択スイッチ１０６とを有する。転送スイッチ１０３は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する。リセットスイッチ１０４は、光電変換部１０２の信号をリセットする。アンプ１０５は、転送スイッチ１０３により転送された信号を増幅する。選択スイッチ１０６は、アンプ１０５の信号出力を選択する。制御線１１９〜１２１は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６を制御する。
また、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６は、ＭＯＳトランジスタである。制御線１１９〜１２１は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４及び選択スイッチ１０６のゲート電極に接続されている。
図９では、画素７０１は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する転送スイッチ１０３と、光電変換部１０２の信号をリセットするリセットスイッチ１０４と、転送スイッチ１０３により転送された信号を増幅するアンプ１０５とを有する。制御線７１９〜７２１は、転送スイッチ１０３、リセットスイッチ１０４、及びリセットスイッチ１０４のリセット電位を制御する。
また、容量４１２〜４１４，７１２〜７１４の電源電圧保持電極の対向電極は、画素１０１，７０１の基準電位（例えばグランド電位）と導通している。
また、切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、画素１０１，７０１の信号を画素外に読み出している画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択する。
また、切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、前記画素信号読み出し期間を除く期間において、前記第１の経路を選択する。
また、画素１０１，７０１は、光電変換部１０２により生成された信号を転送する転送スイッチ１０３と、光電変換部１０２の信号をリセットするリセットスイッチ１０４とを有する。制御線１１９，１２０，７１９，７２０は、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０４を制御する。切替スイッチ１１５，１１６，７１５，７１６は、少なくとも、リセットスイッチ１０４を制御する期間及び転送スイッチ１０３を制御する期間では、前記第１の経路を選択する。
また、垂直出力線１０７は、画素１０１，７０１の信号を出力するための出力線である。増幅器１２６は、垂直出力線１０７の信号を増幅する。切替スイッチ１１５〜１１７，７１５〜７１７は、増幅器１２６が１倍以上のゲインで増幅する場合に、前記画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択する。
また、画素１０１，７０１は、２次元行列状に配列される。容量４１２〜４１４，７１２〜７１４は、画素１０１，７０１の行毎に分割される。制御線１１９〜１２１，７１９〜７２１は、画素１０１，７０１の行毎に設けられ、行毎に前記第２の経路を介して容量４１２〜４１４，７１２〜７１４に接続される。
第１〜第４の実施形態によれば、画素の制御線に混入するノイズを起因とする横引きノイズを防止することができる。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１０１、７０１ 画素
１０２、６０１、６０２、５１０１ 光電変換部
１０３、１０４、１０５、１０６、１２５、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７、５１０２、５１０３、５１０４、５１０５、５０３２、５０３４ ＭＯＳトランジスタ
１０７、５１０６ 垂直共通出力線
１０８ 定電流負荷
１０９、１１０、１１１、４０９、４１０、４１１、７０９、７１０、７１１ バッファ
１１２、１１３、１１４、１１８、１２３、１２４、１２８、４１２、４１３、４１４、７１２、７１３、７１４、５０３１、５０３３、５０４１、５０４２、５０４６ 容量
３０１ ゲート−ソース（ドレイン）間容量
１１５、１１６、１１７、１２９、４１５、４１６、４１７、７１５、７１６、７１７ 切替スイッチ（開閉器）
１１９、１２０、１２１、７１９、７２０、７２１ 制御線
１２２ 寄生容量
１２６ 増幅器
１３０、５０３５ 水平共通出力線
１２６、１３１、５０３８ 増幅器
５９８、５９９ 切替スイッチを制御する信号線
１０２、６０１、６０２、５１０１ 光電変換部
１０３、１０４、１０５、１０６、１２５、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７、５１０２、５１０３、５１０４、５１０５、５０３２、５０３４ ＭＯＳトランジスタ
１０７、５１０６ 垂直共通出力線
１０８ 定電流負荷
１０９、１１０、１１１、４０９、４１０、４１１、７０９、７１０、７１１ バッファ
１１２、１１３、１１４、１１８、１２３、１２４、１２８、４１２、４１３、４１４、７１２、７１３、７１４、５０３１、５０３３、５０４１、５０４２、５０４６ 容量
３０１ ゲート−ソース（ドレイン）間容量
１１５、１１６、１１７、１２９、４１５、４１６、４１７、７１５、７１６、７１７ 切替スイッチ（開閉器）
１１９、１２０、１２１、７１９、７２０、７２１ 制御線
１２２ 寄生容量
１２６ 増幅器
１３０、５０３５ 水平共通出力線
１２６、１３１、５０３８ 増幅器
５９８、５９９ 切替スイッチを制御する信号線
Claims (10)
- 各々が光電変換により信号を生成する光電変換部及び複数のトランジスタを有する複数の画素と、
前記画素内の複数のトランジスタに駆動パルスを供給する制御線と、
前記制御線を駆動する駆動バッファと、
前記駆動バッファの電源端子に対して電源回路及び容量を接続することにより電源電圧を供給する第１の経路と前記駆動バッファの電源端子に対して前記電源回路を接続せずに前記容量を接続することにより電源電圧を供給する第２の経路とを切り替える切替スイッチと
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記光電変換部により生成された信号を転送する転送スイッチと、
前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチと、
前記転送スイッチにより転送された信号を増幅するアンプと、
前記アンプの信号出力を選択する選択スイッチとを有し、
前記制御線は、前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチを制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記光電変換部により生成された信号を転送する転送スイッチと、
前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチと、
前記転送スイッチにより転送された信号を増幅するアンプとを有し、
前記制御線は、前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ、及び前記リセットスイッチのリセット電位を制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチは、ＭＯＳトランジスタであり、
前記制御線は、前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチのゲート電極に接続されていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記容量の電源電圧保持電極の対向電極は、前記画素の基準電位と導通してい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。
- 前記切替スイッチは、前記画素の信号を画素外に読み出している画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択し、
前記画素信号読み出し期間は、増幅器が前記画素の信号をクランプしてから、前記画素を非選択にして前記画素の信号の出力を終了させるまでの期間であ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。 - 前記切替スイッチは、前記画素信号読み出し期間を除く期間において、前記第１の経路を選択することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
- 前記画素は、
前記光電変換部により生成された信号を転送する転送スイッチと、
前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチとを有し、
前記制御線は、前記転送スイッチ及び前記リセットスイッチを制御し、
前記切替スイッチは、少なくとも、前記リセットスイッチがオンからオフに切り替わる時刻及び前記転送スイッチがオンしている期間では、前記第１の経路を選択することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - さらに、前記画素の信号を出力する垂直出力線と、
前記垂直出力線の信号を増幅する増幅器とを有し、
前記切替スイッチは、前記増幅器が１倍以上のゲインで増幅する場合に、前記画素信号読み出し期間において、前記第２の経路を選択することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、２次元行列状に配列され、
前記駆動バッファは、前記画素の行毎に設けられ、
前記容量は、前記行毎の駆動バッファの電源端子にそれぞれ接続され、
前記駆動バッファの電源端子は、行毎に前記第２の経路を介して前記容量に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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