JP5693146B2 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ又はデジタルカメラ等で利用される固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法に関する。

一般に固体撮像装置では、２次元マトリクス状に配置された複数の画素で光電変換された電気信号が、列毎の増幅器を介して後段の信号処理回路へ送られる。また、近年、固体撮像装置は多画素化と高速動作が要求されるため、増幅器の帯域幅は広く設定される傾向にある。信号帯域幅の増大に伴い、増幅器の信号帯域幅に比例するランダムノイズの積分値が大きくなる。特許文献１は、増幅器の基準電位をクランプする際、増幅器に容量が連結されている記載がある。増幅器の基準電位をクランプすることで、増幅器の出力端に容量が連結されるので増幅器の帯域が制限され、その結果、増幅器から発生するランダムノイズが低減する。

特開２００８−７８８９４号公報

増幅器を有する固体撮像装置では、用途に応じて増幅器の増幅率を様々に変化させることができる。例えば、暗い被写体と明るい被写体が同時に存在する広いダイナミックレンジを有する被写体の撮影を行うための駆動がある。また、加算モードと非加算モードの両モードを有し、モード毎にダイナミックレンジを確保する駆動、各色の画素毎に信号の増幅率を変化させる駆動がある。これらの駆動で、増幅器の増幅率は−数ｄＢから数十ｄＢにわたる。しかしながら、このように撮影条件に応じて増幅器の増幅率を変更する際、特許文献１に記載の駆動方法では、増幅器から発生するランダムノイズは必ずしも十分に低減できない。なぜなら特許文献１に記載されている方法では、増幅器の増幅率を決めている帰還容量と増幅率の出力端に接続されている信号保持容量とで周波数帯域が制限される。そのため、帰還容量の小さい低増幅率の動作ほど増幅器の周波数帯域が広がり、周波数帯域に比例してランダムノイズも増大するからである。つまり、設定される増幅率によっては増幅器から発生するランダムノイズは必ずしも十分低減できていないのである。

本発明の目的は、増幅回路から発生するランダムノイズを低減し、Ｓ／Ｎを向上させることができる固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素と、可変の帰還容量に応じた増幅率で、前記画素の信号を増幅する帰還型の増幅回路と、前記増幅回路の出力端子に第１のスイッチを介して接続される保持容量と、前記増幅回路の出力端子に第２のスイッチを介して接続される負荷容量とを有し、前記帰還容量をリセットする期間及び前記第１のスイッチがオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、前記第２のスイッチがオンすることを特徴とする。

増幅回路の増幅率に応じて、増幅回路の出力端子の負荷容量を変化させることで、増幅回路の帯域の広狭を制御し、増幅回路から発生するランダムノイズを低減し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

第１〜第３の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第１の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第１の実施形態の駆動タイミング図である。 第１の実施形態の固体撮像装置の利得対周波数特性を示す図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の利得対周波数特性を示す図である。 第３の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第４〜第７の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第４の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第５の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第６の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。 第７の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。

（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画素部と１列分の読み出し回路の等価回路図である。画素部は２次元配列した複数画素のうちのある２×１画素だけを示している。画素１は、光電変換素子２ａ，２ｂと、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ３ａ，３ｂと、ソースフォロワＭＯＳ電界効果トランジスタ４と、リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ５と、行選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ６とを有する。以下、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ３ａ，３ｂを転送ＭＯＳ３ａ，３ｂ、ソースフォロワＭＯＳ電界効果トランジスタ４をＳＦＭＯＳ４、リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ５をリセットＭＯＳ５、行選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ６を行選択ＭＯＳ６という。光電変換素子２ａ，２ｂは、例えばフォトダイオードであり、画素１内に複数設けられ、光電変換により光を電気信号に変換する。転送ＭＯＳ３ａ，３ｂは、光電変換素子２ａ，２ｂにより生成された信号をそれぞれＳＦＭＯＳ４のゲートに転送する。ＳＦＭＯＳ４は、転送ＭＯＳ３ａ，３ｂにより転送された信号を増幅する。リセットＭＯＳ５は、ＳＦＭＯＳ４のゲート電圧を所定電位にリセットする。行選択ＭＯＳ６は、ＳＦＭＯＳ４のソース及び垂直出力線７との間の導通を制御する。

垂直出力線７は、増幅回路部８に接続されている。増幅回路部８は、帰還型の増幅回路であり、可変の帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２に応じた増幅率で、垂直出力線７に出力された画素１の信号を増幅する。増幅回路部８は、クランプ容量Ｃ０、反転増幅器１０、帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２、増幅率選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１，２２、及びクランプスイッチ２４を有する。以下、増幅率選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１，２２を増幅率選択ＭＯＳ２１，２２という。増幅回路部８は、帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２を増幅率選択ＭＯＳ２１，２２により切り替えて選択することで、増幅率を変更することができる。また、反転増幅器１０の非反転入力端子には基準電位ＶＣ０Ｒが印加されており、クランプスイッチ２４のゲートに入力されるクランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルになると、帰還容量Ｃｆ１又はＣｆ２の両端が短絡される。これにより、基準電位ＶＣ０Ｒと垂直信号線７の電位差がクランプ容量Ｃ０に保持される。

以下、制御ＭＯＳ電界効果トランジスタ１２，１３，１６，１７を制御ＭＯＳ１２，１３，１６，１７という。増幅回路部８の出力端子は、制御ＭＯＳ（第１のスイッチ）１２を介して保持容量Ｃｔｎに接続される。同様に、増幅回路部８の出力端子は、制御ＭＯＳ（第１のスイッチ）１３を介して保持容量Ｃｔｓに接続される。保持容量Ｃｔｎは、リセットＭＯＳ５によるリセット時の基準電位ＶＣ０Ｒに対する垂直出力線７の電位である暗時信号（略ＶＣ０Ｒ）を保持する。保持容量Ｃｔｓは、光電変換素子２ａ又は２ｂにより生成された光電変換信号に暗時信号が重畳した信号を保持する。また、増幅回路部８の出力端子は、制御ＭＯＳ（第２のスイッチ）１６を介して負荷容量Ｃｌ１に接続される。同様に、増幅回路部８の出力端子は、制御ＭＯＳ（第２のスイッチ）１７を介して負荷容量Ｃｌ２に接続される。制御ＭＯＳ１６及び１７は、所定期間、増幅回路部８の増幅率に連動して制御される。つまり、所定期間、増幅率毎に接続される負荷容量が変更される。さらに、保持容量Ｃｔｎと保持容量Ｃｔｓに保持された信号は、水平走査回路によって順次、読み出される。出力アンプ２０は、保持容量Ｃｔｓの信号と保持容量Ｃｔｎの信号との差分を演算し、暗時信号をキャンセルした画素信号を外部に出力する。

図２は、図１の固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。まず、時刻ｔ０に、クランプパルスＰＣ０Ｒをハイレベルにすることのよりクランプスイッチ２４がオンになることによって、増幅回路部８が電圧フォロワ状態となり、クランプ容量Ｃ０の反転増幅器１０側の電極が略ＶＣ０Ｒ電圧となる。この時、信号ＰＴＮ及びＰＴＳがローレベルからハイレベルになることにより、制御ＭＯＳ１２及び１３が同時にオンし、保持容量Ｃｔｎ及びＣｔｓにも同じく略ＶＣ０Ｒ電位が書き込まれる。

次に、時刻ｔ１に、信号ＰＲＥＳがハイレベルからローレベルへ変化することによりリセットＭＯＳ５がオフし、ＳＦＭＯＳ４のゲートのリセットが解除される。この時、ＳＦＭＯＳ４のゲートには暗時に対応する電位が固定される。

次に、時刻ｔ２に、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルへ変化し、クランプスイッチ２４がオフする。その後、信号ＰＴＮ及びＰＴＳはローレベルになり、制御ＭＯＳ１２及び１３はオフする。その後、保持容量ＣＴｎ及びＣｔｓは信号を保持する。

次に、時刻ｔ３に、ゲート信号ＰＳＥＬをハイレベルにすることにより行選択ＭＯＳ６がオンになると、暗時出力が垂直出力線７に現れ、クランプ容量Ｃ０にクランプされる。

次に、時刻ｔ３’に、信号ＰＣＬ１がローレベルからハイレベルに変化することにより制御ＭＯＳ１６がオンし、増幅回路部８の出力端子と負荷容量Ｃｌ１が接続される。

次に、時刻ｔ４に、信号ＰＴＮがハイレベルになることにより制御ＭＯＳ１２がオンし、保持容量ＣｔｎはＳＦＭＯＳ４及び反転増幅器１０のリセット信号である暗時信号を保持する。

次に、時刻ｔ５に、信号ＰＴＸ１が一定ハイレベルになることにより転送ＭＯＳ３ａが一定期間オンし、光電変換素子２ａに蓄積された電荷がＳＦＭＯＳ４のゲートに転送される。

次に、時刻ｔ６に、信号ＰＴＳがハイレベルになることにより制御ＭＯＳ１３がオンし、保持容量Ｃｔｓは暗時信号に光電変換信号を重畳した信号を保持する。この時、増幅回路部８の出力端子の電位は、クランプ容量Ｃ０と帰還容量Ｃｆ１又はＣｆ２の分圧比で決まる。本実施形態では、信号ＰＧＡ１及びＰＧＡ２がハイレベルであるので、増幅率選択ＭＯＳ２１及び増幅率選択ＭＯＳ２２がオンし、増幅回路部８の増幅率はＣ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）になる。時刻ｔ３’以降において、信号ＰＣＬ１により制御ＭＯＳ１６は、信号ＰＴＮ及びＰＴＳの制御ＭＯＳ１２及び１３がオンしている期間においてオンしている。

図３は、図１の固体撮像装置の他の増幅率の動作例を示すタイミング図である。別のモードで、増幅回路部８の増幅率を変更して使用する場合には負荷容量を変化させる。以下、図３のタイミング図が図２のタイミング図と異なる点を説明する。信号ＰＧＡ１をハイレベルにすることにより増幅率選択ＭＯＳ２１がオンし、信号ＰＧＡ２をローレベルにすることにより増幅率選択ＭＯＳ２２がオフするので、増幅回路部８の増幅率はＣ０／（Ｃｆ１）となる。時刻ｔ３’では、信号ＰＣＬ２をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１７がオンし、増幅回路部８の出力端子と負荷容量Ｃｌ２が接続される。上記以外は、図２と同様である。つまり、負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２は、読み出し期間に反転増幅器１０の利得帯域を狭めるように作用する。

図４を参照しながら、反転増幅器１０の利得帯域制限の様子を説明する。通常使用の駆動周波数をｆ、反転増幅回路１０の伝達コンダクタンスをｇｍ、負荷容量Ｃｌ１と負荷容量Ｃｌ２の関係はＣｌ１＞Ｃｌ２とする。図２のタイミングで示される増幅回路部８の増幅率がＣ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）となる場合、負荷容量Ｃｌ１が接続されないと、保持容量Ｃｔｎへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、点線上の黒丸●ｆａで示され、次式で表わされる。
ｆａ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）×Ｃｔｎ）

同じく、保持容量Ｃｔｓへの読み出し期間、増幅回路部８の周波数帯域は、点線上の黒丸●ｆａで示され、次式で表わされる。
ｆａ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）×Ｃｔｓ）

信号ＰＣＬ１をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６がオンし、増幅回路部８の出力端子と負荷容量Ｃｌ１が接続されると、保持容量Ｃｔｎへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、点線上の白丸○ｆｂで示され、次式で表わされる。
ｆｂ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）×（Ｃｔｎ＋Ｃｌ１）

同じく、保持容量Ｃｔｓへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、点線上の白丸○ｆｂで示され、次式で表わされる。
ｆｂ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）×（Ｃｔｓ＋Ｃｌ１）

ｆｂ＜ｆａであるから、負荷容量Ｃｌ１によって増幅回路部８の周波数帯域が制限されている。

一方、図３で示される増幅回路部８の増幅率がＣ０／（Ｃｆ１）となる場合、負荷容量Ｃｌ１が接続されていないと、保持容量Ｃｔｎへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、実線上の黒丸●ｆｃで示され、次式で表わされる。
ｆｃ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１）×Ｃｔｎ）

同じく、保持容量Ｃｔｓへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、実線上の黒丸●ｆｃで示され、次式で表わされる。
ｆｃ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１）×Ｃｔｓ）

信号ＰＣＬ２をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１７がオンし、増幅回路部８の出力端子と負荷容量Ｃｌ２が接続された場合、保持容量Ｃｔｎへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、実線上の白丸○ｆｄで示され、次式で表わされる。
ｆｄ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１）×（Ｃｔｎ＋Ｃｌ２）

同じく、保持容量Ｃｔｓへの読み出し期間の増幅回路部８の周波数帯域は、実線上の白丸○ｆｄで示され、次式で表わされる。
ｆｄ＝ｇｍ／（２π×Ｃ０／（Ｃｆ１）×（Ｃｔｓ＋Ｃｌ２）

ｆｄ＜ｆｃであるから、負荷容量Ｃｌ１によって増幅回路部８の周波数帯域が制限されている。この時、ｆ＝ｆｂ＝ｆｄとなるように設定することが、増幅回路部８でランダムノイズを低減するのに最も好適である。つまり、駆動に必要な周波数がｆであるとすると、ｆ＝ｆｂ＝ｆｄとなるように設計することが、ノイズを最小にするのに最も好適である。

なお、ここでは、増幅回路部８の帯域制限手段として負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２を接続することを記載したが、これに限らない。例えば、抵抗素子や制御電極を有したトランジスタのオン抵抗を利用する手段も可能である。レイアウト面積等を加味して、適宜適用することが望ましい。また、帯域制限手段の素子数も、適宜設定されることが望ましい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の固体撮像装置及びその駆動方法について説明する。第２の実施形態の固体撮像装置の回路図は、第１の実施形態で説明した図１と同じである。図５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置（図１）の動作例を示すタイミング図である。図５のタイミング図は、図２のタイミング図に対して、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２が異なる。以下、図５のタイミング図が図２のタイミング図と異なる点を説明する。増幅回路部８の増幅率は、図２と同じく、Ｃ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）である。時刻ｔ０において、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６及び１７がオンし、増幅回路部８の出力端子が負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２に接続される。それと同時に、図２と同様に、時刻ｔ０に、クランプパルスＰＣ０Ｒをハイレベルにすることによりクランプスイッチ２４がオンになる。これにより、帰還容量Ｃｌ１及びＣｌ２がリセットされ、増幅回路部８が電圧フォロワ状態となり、クランプ容量Ｃ０の反転増幅器１０側の電極が略ＶＣ０Ｒ電圧となる。この時、信号ＰＴＮ及びＰＴＳがローレベルからハイレベルになることにより、制御ＭＯＳ１２及び１３が同時にオンし、保持容量Ｃｔｎ及びＣｔｓにも同じく略ＶＣ０Ｒ電位が書き込まれる。その後、時刻ｔ２の後に、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２をローレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６及び１７がオフし、負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２が増幅回路部８の出力端子から切り離される。信号ＰＣ０Ｒにより帰還容量Ｃｌ１及びＣｌ２がリセットされている期間において、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２の制御ＭＯＳ１６及び１７がオンしている。

また、別のモードで信号ＰＧＡ１及びＰＧＡ２により増幅回路部８の増幅率を変更する場合においても、時刻ｔ０の基準電位書き込み時には増幅回路部８の増幅率によらず、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２により制御ＭＯＳ１６及び１７の両方をオンする。これにより、増幅回路部８の出力端子が負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２に接続される。

時刻ｔ０の基準電位書き込み時に発生するランダムノイズ成分は、出力アンプ２０の差分演算であるＣＤＳ（Correlated Double Sampling）により殆ど消去されるが、必ずしも０にはならない。そのため、時刻ｔ０の基準電位書き込み時の帯域制限によりランダムノイズ成分を低減することで、ＣＤＳ後の残留ノイズを低減することができる。

図６は、増幅率（利得）対周波数特性を示す。時刻ｔ０の基準電位書き込み時の増幅回路部８の増幅率は１であるから、増幅回路部８の周波数帯域は、黒丸●ｆｅで示され、次式で表わされる。
ｆｅ＝ｇｍ／（２π×Ｃｔｓ）

信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６及び１７がオンし、増幅回路部８の出力端子が負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２に接続された場合、周波数帯域は、白丸○ｆｆで示され、次式で表わされる。
ｆｆ＝ｇｍ／（２π×（ＣＬ１＋ＣＬ２＋Ｃｔｓ））

ｆ＝ｆｆとなるように、負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２を決定することで、必要な帯域を確保しつつ、ノイズ成分を最小にすることができる。なお、ここでは増幅回路部８の帯域制限手段として負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２を接続することを記載したが、これに限らない。例えば、抵抗素子や制御電極を有したトランジスタのオン抵抗を利用する手段も可能である。レイアウト面積等を加味して、適宜適用することが望ましい。また、帯域制限手段の素子数も、適宜設定されることが望ましい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の固体撮像装置は、第１及び第２の実施形態を組み合わせたものである。第３の実施形態の固体撮像装置の回路図は、図１と同じである。図７は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。図７のタイミング図は、図５のタイミング図に対して信号ＰＣＬ１が異なる。以下、図７のタイミング図が図５のタイミング図と異なる点を説明する。図２と同様に、時刻ｔ３の後、時刻ｔ３’において、信号ＰＣＬ１は再びハイレベルになり、制御ＭＯＳ１６がオンして、増幅回路部８の出力端子が負荷容量Ｃｌ１に接続される。その後、時刻ｔ６の後、信号ＰＣＬ１をローレベルにすることにより、制御ＭＯＳ１６がオフし、負荷容量Ｃｌ１が増幅回路部８の出力端子から切り離される。期間ｔ０〜ｔ２の帰還容量Ｃｌ１及びＣｌ２がリセットされている期間において、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２の制御ＭＯＳ１６及び１７がオンしている。さらに、時刻ｔ３’以降の信号ＰＴＮ及びＰＴＳの制御ＭＯＳ１２及び１３がオンしている期間において、信号ＰＣＬ１の制御ＭＯＳ１６がオンしている。

なお、ここでは、増幅回路部８の帯域制限手段として負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２を接続することを記載したが、これに限らない。例えば、抵抗素子や制御電極を有したトランジスタのオン抵抗を利用する手段も可能である。レイアウト面積等を加味して、適宜適用することが望ましい。また，帯域制限手段の素子数も、適宜設定されることが望ましい。

本実施形態により、増幅回路部８のリセット動作時のランダムノイズを低減するとともに、増幅率を高く設定した際のランダムノイズも低減することができる。第１〜第３の実施形態では、帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２をリセットする期間及び制御ＭＯＳ１２，１３がオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、制御ＭＯＳ１６，１７がオンする。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の固体撮像装置及びその駆動方法について以下に示す。本実施形態は、２画素加算の場合の動作例である。図８は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の回路図である。図８の固体撮像装置は、図１の固体撮像装置に対して加算用制御ＭＯＳ電界効果トランジスタ２３を追加したものである。以下、加算用制御ＭＯＳ電界効果トランジスタ２３を加算用制御ＭＯＳ２３という。増幅回路部８内において、加算用制御ＭＯＳ２３は、ドレインが反転増幅器１０の出力端子に接続され、ゲートが信号ＰＣ０Ｅのノードに接続され、ソースがＭＯＳ１２，１３，１６，１７，２１，２３の相互接続点に接続される。

図９は、図８に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。まず、時刻ｔ０に、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルになることによりクランプスイッチ２４がオンし、増幅回路部８が電圧フォロワ状態となり、クランプ容量Ｃ０の反転増幅器１０側の電極が略ＶＣ０Ｒ電圧となる。この時、信号ＰＴＮ及びＰＴＳをハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１２及び１３も同時にオンすることで、保持容量Ｃｔｎ及びＣｔｓにも同じく略ＶＣ０Ｒ電圧を書き込む。

次に、時刻ｔ１に、信号ＰＲＥＳをハイレベルからローレベルにすることによりリセットＭＯＳ５がオフし、ＳＦＭＯＳ４のゲートのリセットが解除される。ＳＦＭＯＳ４のゲートには暗時に対応する電位が固定される。

次に、時刻ｔ２に、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルへ変化し、クランプスイッチ２４がオフする。その後、信号ＰＴＮ及びＰＴＳがローレベルになり、制御ＭＯＳ１２及び１３がオフする。

次に、時刻ｔ３に、信号ＰＳＥＬをハイレベルにすることにより行選択ＭＯＳ６がオンし、暗時出力が垂直出力線７に現れ、クランプ容量Ｃ０にクランプされる。

次に、時刻ｔ３’に、信号ＰＣＬ１及びＰＣ０Ｅをハイレベルにする。信号ＰＣＬ１をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６がオンし、負荷容量Ｃｌ１は増幅回路部８の出力端子に接続される。また、信号ＰＣ０Ｅをハイレベルにすることにより加算用制御ＭＯＳ２３がオンし、反転増幅器１０の出力端子がＭＯＳ１２，１３，１６，１７，２１，２２の相互接続点に接続される。

次に、時刻ｔ４に、信号ＰＴＮをハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１２がオンし、保持容量ＣｔｎはＳＦＭＯＳ４及び反転増幅器１０のリセット信号である暗時信号を保持する。

次に、時刻ｔ５に、１行目の転送信号ＰＴＸ１を一定間ハイレベルにすることにより１行目の転送ＭＯＳ３ａが一定期間オンし、光電変換素子２ａに蓄積された電荷がＳＦＭＯＳ４のゲートに転送される。この動作で、光電変換素子２ａからの信号は帰還容量Ｃｆ１及びＣｆ２に保持される。

次に、時刻ｔ６に、信号ＰＣ０Ｅをローレベルにすることにより加算用制御ＭＯＳ２３がオフし、反転増幅器１０の出力端子と帰還容量１１ａ、１１ｂとの接続を切り離す。

次に、時刻ｔ７で、クランプパルスＰＣ０Ｒをハイレベルにすることによりクランプスイッチ２４をオンにする。これにより、増幅回路部８が電圧フォロワ状態となり、クランプ容量Ｃ０及び帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２の反転増幅器１０側の電極が略ＶＣ０Ｒ電位となり、クランプ容量（入力容量）Ｃ０がリセットされる。その後、信号ＰＲＥＳが一定期間ハイレベルになり、リセットＭＯＳ５が一定期間オンし、ＳＦＭＯＳ４のゲートがリセットされる。その後、クランプパルスＰＣ０Ｒをローレベルにすることによりクランプスイッチ２４がオフする。

次に、時刻ｔ８に、信号ＰＣ０Ｅをハイレベルに戻すことにより加算用制御ＭＯＳ２３をオンにする。

次に、時刻ｔ９に、２行目の転送信号ＰＴＸ２を一定期間ハイレベルにすることにより２行目の転送ＭＯＳ３ｂが一定期間オンし、光電変換素子２ｂに蓄積された電荷がＳＦＭＯＳ４のゲートに転送される。上記動作により、光電変換素子２ｂからの信号は帰還容量Ｃｆ１及びＣｆ２にて２画素分の信号が加算されることとなる。その後、信号ＰＣＬ１をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６がオンし、負荷容量Ｃｌ１が増幅回路部８の出力端子に接続される。

次に、時刻ｔ１０に、信号ＰＴＳをハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１３がオンすることで、保持容量Ｃｔｓは暗時信号に２画素分の光電変換信号を重畳した信号を保持する。

信号ＰＧＡ１及びＰＧＡ２がハイレベルであるので、増幅回路部８の増幅率はＣ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）である。信号ＰＴＮにより保持容量Ｃｔｎに信号を書き込むタイミング及び信号ＰＴＳにより保持容量Ｃｔｓに信号を書き込むタイミングに合わせて、信号ＰＣＬ１の制御ＭＯＳ１６をオンさせ、増幅回路部８の出力端子を負荷容量Ｃｌ１に接続する。増幅回路部８は、時刻ｔ５及びｔ９において複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を順次入力して加算し増幅し、複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を入力する間の時刻ｔ７の期間でクランプ容量（入力容量）Ｃ０をリセットする。信号ＰＴＮ及びＰＴＳの制御ＭＯＳ１２及び１３がオンする期間において、信号ＰＣＬ１の制御ＭＯＳ１６がオンする。

増幅回路部８の増幅率を変更して、容量Ｃｆ１のみを使用する場合、増幅率はＣ０／（Ｃｆ１）となる。このとき、図３と同様に、信号ＰＣＬ２により制御ＭＯＳ１７がオンし、増幅回路部８の出力端子が負荷容量Ｃｌ２に接続される。

以上の動作による増幅回路部８の帯域制限は、図４で示されるものと同じとなる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の固体撮像装置及びその駆動方法について以下に示す。本実施形態は、２画素加算の場合に、第１の画素の読み出しと第２の画素の読み出しの間に行われる増幅回路部８のリセット動作時に、帯域制限を加えるための容量の接続動作を行う点が特徴である。本実施形態の固体撮像装置の回路図は図８と同一である。

図１０は、本実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。時刻ｔ３までの動作は、第４の実施形態と同じである。時刻ｔ３の後、時刻ｔ３’に、信号ＰＣ０Ｅをハイレベルにすることにより加算制御ＭＯＳ２３をオンするが、制御ＭＯＳ１６及び１７はオフのままである。

次に、時刻ｔ４に、信号ＰＴＮをハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１２がオンとなり、暗時信号を保持容量Ｃｔｎに転送する。

次に、時刻ｔ５に、信号ＰＴＸ１を一定期間ハイレベルにすることにより第１の画素の転送ＭＯＳ３ａをオンとすることで、第１の画素の信号が読み出される。その後、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２をハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１６及び１７がオンし、負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２が増幅回路部８の出力端子に接続される。
する。

次に、時刻ｔ６に、信号ＰＣ０Ｅをローレベルにすることにより加算制御ＭＯＳ２３がオフとなる。

次に、時刻ｔ７に、信号ＰＣ０Ｒをハイレベルにすることによりクランプスイッチ２４がオンとなることで、反転増幅器１０の帰還ループが短絡され、反転増幅器１０及びクランプ容量（入力容量）Ｃ０がリセットされる。この状態で、反転増幅器１０の出力端子は、負荷容量Ｃｌ１及びＣｌ２に接続されているため、反転増幅器１０の帯域が狭められ、ノイズが低減する。その後、信号ＰＲＥＳが一定期間ハイレベルになり、リセットＭＯＳ５が一定期間オンし、ＳＦＭＯＳ４のゲートがリセットされる。その後、クランプパルスＰＣ０Ｒをローレベルにすることによりクランプスイッチ２４がオフする。

次に、時刻ｔ８に、信号ＰＣ０Ｅをハイレベルに戻すことにより加算用制御ＭＯＳ２３をオンにする。

次に、時刻ｔ９に、２行目の転送信号ＰＴＸ２を一定期間ハイレベルにすることにより転送ＭＯＳ３ｂを一定期間オンにし、光電変換素子２ｂに蓄積された電荷がＳＦＭＯＳ４のゲートに転送される。これにより、光電変換素子２ｂからの信号は帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２にて２画素分の信号が加算されることとなる。

次に、時刻ｔ１０に、信号ＰＴＳを一定期間ハイレベルにすることにより制御ＭＯＳ１３が一定期間オンすることで、保持容量Ｃｔｓは暗時信号に２画素分の光電変換信号を重畳した信号を保持する。

信号ＰＧＡ１及びＰＧＡ２がハイレベルであるので、増幅回路部８の増幅率はＣ０／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）である。１行目の読み出しと２行目の読み出しの間のリセットにおいて、反転増幅器１０の出力端子に負荷容量が接続されていない場合のノイズ発生状況を説明する。１行目の信号が読み出された後、加算用制御ＭＯＳ２３がローレベルとなり、反転増幅器１０の出力端子と帰還容量１１ａ、１１ｂとの接続を切り離される際、帰還容量Ｃｆ１及びＣｆ２に反転増幅器１０の帯域に応じたノイズが固定される。その後、クランプスイッチ２４においてクランプパルスＰＣ０Ｒがローレベルとなる際、クランプ容量Ｃ０及び帰還容量Ｃｆ１，Ｃｆ２に帯域に応じたノイズが固定される。

反転増幅器１０の出力端子に負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２を接続することで、反転増幅器１０の帯域を狭めることがノイズ低減に有効である。反転増幅器１０の帯域制限の様子は図６と同じであるので説明を省略する。増幅回路部８は、時刻ｔ５及びｔ９において複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を順次入力して加算し増幅し、複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を入力する間の時刻ｔ７の期間にクランプ容量（入力容量）Ｃ０をリセットする。増幅回路部８がクランプ容量（入力容量）Ｃ０をリセットする期間において、信号ＰＣＬ１及びＰＣＬ２の制御ＭＯＳ１６及び１７がオンする。

なお、負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２の代わりに抵抗素子や制御電極を有したトランジスタのオン抵抗を利用することも可能である。レイアウト面積等を加味して、適宜適用することが望ましい。また、帯域制限手段の素子数も、適宜設定されることが望ましい。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図であり、負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２の代わりに保持容量Ｃｔｎ，Ｃｔｓを利用して同様なノイズ低減効果を得るための駆動タイミングを示す。本実施形態では、保持容量Ｃｔｎ，Ｃｔｓと負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２は、共通の容量である。図１１のタイミング図は、図１０のタイミング図に対して信号ＰＴＳが異なる。信号ＰＴＳは、時刻ｔ６の前から時刻ｔ８までの間にハイレベルとなる。それ以外は、図１１は図１０と同じであるため、説明は割愛する。本実施形態において、帯域制限手段として、容量素子以外の素子を用いることが可能であることは他の実施形態と同じである。

（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第４〜６の実施形態を組み合わせたものである。固体撮像装置の回路図は、図８と同じである。図１２は、本発明の第７の実施形態の駆動タイミング図である。図１２において、図１０からの変更点は、時刻ｔ３から時刻ｔ１０の間で信号ＰＣＬ１がハイレベルとなる点、時刻ｔ６から時刻９の間で信号ＰＴＳがハイレベルとなる点である。この駆動により、第１の画素の読み出し期間と第２の画素の読み出し期間との間に行なわれる増幅回路部８のリセット動作時に、増幅回路部８の出力端子に負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２及び保持容量Ｃｔｓを接続することができる。増幅回路部８で発生するランダムノイズを効果的に抑制することができる。

増幅回路部８は、時刻ｔ５及びｔ９において複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を順次入力して加算し増幅し、複数の光電変換素子２ａ，２ｂの信号を入力する間の時刻ｔ７の期間にクランプ容量（入力容量）Ｃ０をリセットする。増幅回路部８がクランプ容量（入力容量）Ｃ０をリセットする時刻ｔ７の期間及び制御ＭＯＳ１２及び１３がオンする時刻ｔ４及びｔ１０の期間の両方の期間において、信号ＰＣＬ１の制御ＭＯＳ１６がオンする。第４〜第６の実施形態では、増幅回路部８がクランプ容量（（入力容量）Ｃ０をリセットする期間及び制御ＭＯＳ１２，１３がオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、制御ＭＯＳ１６，１７がオンする。

第１〜第６の実施形態において、制御ＭＯＳ１２，１３がオンする期間において、制御ＭＯＳ１６，１７は、増幅回路部８の増幅率に応じてオン及びオフを切り替える。具体的には、増幅回路部８の出力端子は、複数の制御ＭＯＳ１６，１７複数の負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２に接続される。制御ＭＯＳ１２，１３がオンする期間において、複数の制御ＭＯＳ１６，１７は、増幅回路部８の増幅率に応じてオン及びオフを切り替える。増幅回路部８の増幅率に応じて、増幅回路部８の出力端子の負荷容量Ｃｌ１，Ｃｌ２を変化させることで、増幅回路部８の帯域の広狭を制御し、増幅回路部８から発生するランダムノイズを低減し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

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。

１ 画素、２ａ，２ｂ 光電変換素子、８ 増幅回路部、Ｃｆ１，Ｃｆ２ 帰還容量、１２，１３，１６，１７ 制御ＭＯＳ、Ｃｔｎ，Ｃｔｓ 保持容量、Ｃｌ１，Ｃｌ２ 負荷容量

Claims (7)

1. 光を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素と、
   可変の帰還容量に応じた増幅率で、前記画素の信号を増幅する帰還型の増幅回路と、
   前記増幅回路の出力端子に第１のスイッチを介して接続される保持容量と、
   前記増幅回路の出力端子に第２のスイッチを介して接続される負荷容量とを有し、
   前記帰還容量をリセットする期間及び前記第１のスイッチがオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、前記第２のスイッチがオンすることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光電変換素子は、前記画素内に複数設けられ、
   前記増幅回路は、前記複数の光電変換素子の信号を順次入力して加算し増幅し、前記複数の光電変換素子の信号を入力する間に入力容量をリセットし、
   前記増幅回路が前記入力容量をリセットする期間及び前記第１のスイッチがオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、前記第２のスイッチがオンすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１のスイッチがオンする期間において、前記第２のスイッチは、前記増幅回路の増幅率に応じてオン及びオフを切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記第２のスイッチ及び前記負荷容量を複数有し、
   前記増幅回路の出力端子は、前記複数の第２のスイッチを介して前記複数の負荷容量に接続され、
   前記第１のスイッチがオンする期間において、前記複数の第２のスイッチは、前記増幅回路の増幅率に応じてオン及びオフを切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記負荷容量と前記保持容量は、共通の容量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。
6. 前記増幅回路の増幅率は、第１のゲインと、前記第１のゲインよりも低い第２のゲインとを有し、
   前記第１のゲインで前記増幅回路を動作させる際に接続される前記負荷容量の容量値は、前記第２のゲインで前記増幅回路を動作させる際に接続される前記負荷容量の容量値よりも小さい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。
7. 光を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素と、
   可変の帰還容量に応じた増幅率で、前記画素の信号を増幅する帰還型の増幅回路と、
   前記増幅回路の出力端子に第１のスイッチを介して接続される保持容量と、
   前記増幅回路の出力端子に第２のスイッチを介して接続される負荷容量とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記帰還容量をリセットする期間及び前記第１のスイッチがオンする期間のいずれか一方又は両方の期間において、前記第２のスイッチがオンすることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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