JP6410882B2 - Imaging device, imaging system, and driving method of imaging device - Google Patents
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本発明は、入射線を電荷に変換する撮像装置、撮像システム、撮像装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus, an imaging system, and a driving method for an imaging apparatus that convert incident rays into electric charges.
入射光を光電変換する撮像装置が知られている。このような撮像装置の一例として、特許文献1には、入射光を光電変換する光電変換部と、光電変換部の出力する信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、を有する画素を有する撮像装置がある。
An imaging device that photoelectrically converts incident light is known. As an example of such an imaging apparatus,
入射線に基づく電荷を生成する変換部とAD変換部に電位を与えるバイアス線が、入射線に基づく電荷を生成する変換部とAD変換部に共通に電気的に接続されている場合がある。この場合、入射線に基づく電荷を生成する変換部の動作によって生じるバイアス線の電位の変動が、AD変換部のAD変換精度を低下させてしまう課題があった。 In some cases, a converter that generates charges based on incident lines and a bias line that applies a potential to the AD converter are electrically connected in common to the converters and AD converters that generate charges based on incident lines. In this case, there has been a problem that the fluctuation of the potential of the bias line caused by the operation of the conversion unit that generates charges based on the incident line reduces the AD conversion accuracy of the AD conversion unit.
本発明は上記の課題を鑑みて為されたものであり、一の態様は、入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、を有する画素と、前記変換部に電気的に接続された第1バイアス線と、前記第1バイアス線の電位に基づく電圧を保持する容量素子と、を有し、前記AD変換部が、前記容量素子が保持した前記電圧に基づいて駆動されることを特徴とする撮像装置である。 The present invention has been made in view of the above problems, and one aspect is to convert a charge based on an incident line and a signal based on the charge generated by the conversion section into a digital signal. An AD conversion unit, a first bias line electrically connected to the conversion unit, and a capacitive element that holds a voltage based on a potential of the first bias line, the AD conversion The image pickup apparatus is characterized in that the unit is driven based on the voltage held by the capacitor.
本発明の別の態様は、入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、を有する画素と、前記変換部と前記AD変換部とに共通の電位を供給する第1バイアス線と、容量素子と、を有する撮像装置の駆動方法であって、前記容量素子に、前記第1バイアス線の電位に基づく電圧を保持させ、前記容量素子に保持させた前記電圧に基づいて前記AD変換部を駆動することを特徴とする撮像装置の駆動方法である。 Another aspect of the present invention is a pixel having a conversion unit that generates charges based on incident rays, and an AD conversion unit that converts a signal based on the charges generated by the conversion unit into a digital signal, and the conversion unit And a first bias line that supplies a common potential to the AD converter and a capacitive element, and a voltage based on the potential of the first bias line is applied to the capacitive element. In the driving method of the imaging apparatus, the AD converter is driven based on the voltage held and held in the capacitor.
本発明により、入射線に基づく電荷を生成する変換部の動作によって生じるバイアス線の電位の変動が、AD変換部の動作に影響しにくい撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus in which fluctuations in the potential of the bias line caused by the operation of the conversion unit that generates charges based on incident lines do not easily affect the operation of the AD conversion unit.
以下、図面を参照しながら各実施例について説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.
(実施例1)
図1(a)は、本実施例の撮像装置の構成を示した模式図である。
Example 1
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating the configuration of the imaging apparatus of the present embodiment.
図1(a)の画素アレイ100は、M行N列に配列された画素101を有する。バイアス回路群200は、各画素101を駆動するバイアス回路201を含む。本実施例では、行ごとにバイアス回路201を備える構成である。各行のバイアス回路201は、バイアス回路201と対応する行の各画素101にバイアス電圧を供給する。各画素101はデジタル信号を出力線400を介して信号保持部500に出力する。信号保持部500は、不図示の水平走査回路によって、順次デジタル信号を出力部600に出力する。出力部600は撮像装置の外部に電気的に接続された出力ノード700にデジタル信号を出力する。
A
図1(b)は、図1(a)に示した画素101の構成を示した図である。画素101は、電源電圧供給線102、GND電位供給線103、フォトダイオード104、スイッチ105、スイッチ106、AD変換部107、スイッチ108、容量素子109、出力線400を有している。GND電位供給線103には接地電圧が与えられている。スイッチ105は信号φRESをHighレベル(以下、Hレベル)とすると導通する。スイッチ106は、信号φTXをHレベルとすると導通する。スイッチ108は信号φS1をHレベルとすると導通する。信号φRES、φTX、φS1はそれぞれ、不図示のタイミングジェネレータから与えられる信号である。カウント信号線111、制御信号線114がAD変換部107に電気的に接続されている。フォトダイオード104は本実施例の入射線に基づく電荷を生成する変換部である。本実施例のフォトダイオード104は、入射光を光電変換して生成する電荷を生成する光電変換部でもある。
FIG. 1B is a diagram illustrating a configuration of the
図2(a)は、本実施例のバイアス回路201、AD変換部107の構成の一例を示した図である。バイアス回路201で生成したバイアス電圧は、バイアス線202に与えられる、AD変換部107は、容量素子C0、C1、C2を有する。また、AD変換部107は、MOSトランジスタM2、M3、M4、M5、M6を有する比較器140を含む。MOSトランジスタM3は、フォトダイオード104が出力する信号が与えられる第1入力トランジスタである。また、MOSトランジスタM4は、参照信号であるランプ信号VRAMPが与えられる第2入力トランジスタである。比較器140は、フォトダイオード104から出力される信号と、垂直制御回路300からランプ信号線110と容量素子C2とを介して与えられるランプ信号VRAMPとを比較した比較結果信号をラッチ部112に出力する。そしてAD変換部107は、比較器140の出力する比較結果信号に基づいて、メモリ部113に信号LATCHを出力するラッチ部112を有する。また、垂直制御回路300は、クロックパルスを計数したカウント信号を、カウント信号線111を介してメモリ部113に与える。また、垂直制御回路300は、メモリ部113に制御信号線114を介して信号φMEMを出力する。MOSトランジスタM2は比較器140を駆動する電流源として動作する電流供給トランジスタである。容量素子109の一方のノードは、MOSトランジスタM2の制御ノードに電気的に接続されている。また、MOSトランジスタM2の一方の主ノードが、GND電位供給線103に電気的に接続されている。また、MOSトランジスタM2の他方の主ノードが、MOSトランジスタM3、M4に電気的に接続されている。GND電位供給線103は本実施例の第1バイアス線である。バイアス線202は本実施例の第2バイアス線である。ランプ信号VRAMPは本実施例の参照信号である。
FIG. 2A is a diagram illustrating an example of the configuration of the
次に、図2(b)を参照しながら、図2(a)に示した画素の動作を説明する。 Next, the operation of the pixel shown in FIG. 2A will be described with reference to FIG.
リセット期間に先立って、信号φS1をHレベルからLレベルとする。これにより、信号φS1をLレベルとした時のバイアス線202とGND電位供給線103との電位差に基づく電圧を容量素子109が保持する。図2(a)に示したAD変換部107は容量素子109が保持した電圧と、GND電位供給線103の電位と、に基づいて駆動される。さらに言えば、AD変換部107の比較器140の電流源は容量素子109が保持した電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって駆動される。
Prior to the reset period, the signal φS1 is changed from H level to L level. Accordingly, the
次に、リセット期間に、信号φRESをHレベルとし、そして、φTXをHレベルとする。これにより、フォトダイオード104の電荷と容量素子C0、C1の各々の一方のノードの電荷がリセットされる。
Next, in the reset period, the signal φRES is set to the H level, and φTX is set to the H level. As a result, the charge of the
信号φTXをLレベルとし、そしてφRESをLレベルとする。信号φRESをLレベルとすると、フォトダイオード104は入射光を光電変換して生成した電荷の蓄積を行う。この電荷を蓄積する期間が蓄積期間である。
Signal φTX is set to L level, and φRES is set to L level. When the signal φRES is set to L level, the
蓄積期間後、信号φTXをHレベルとした後、Lレベルとする。これにより、容量素子C0およびC1にフォトダイオード104で蓄積した電荷が転送され、この転送された電荷に基づく信号が、MOSトランジスタM3の制御ノードに与えられる。
After the accumulation period, the signal φTX is set to H level and then to L level. As a result, the charges accumulated in the
信号φTXをLレベルとすると、AD変換期間として、垂直制御回路300は、ランプ信号線110の電位の時間に依存した変化を開始する。また、垂直制御回路300は、カウント信号線111を介して、AD変換部107にカウント信号を出力する。
When the signal φTX is set to the L level, the vertical control circuit 300 starts a change depending on the time of the potential of the
ラッチ部112は比較器140の出力する信号が変化した時に、信号φLATCHの信号値をHレベルとする。このHレベルの信号φLATCHを受けて、メモリ部113は、信号φLATCHがHレベルとなった時のカウント信号値を保持する。この保持したカウント信号値が、フォトダイオード104が蓄積した電荷に基づくデジタル信号である。
垂直制御回路300は、ランプ信号VRAMPの時間に依存した電位の変化を終了することで、AD変換期間が終了する。 The vertical control circuit 300 ends the change in potential depending on the time of the ramp signal VRAMP, whereby the AD conversion period ends.
垂直制御回路300は、信号φMEMをHレベルとする。メモリ部113は、出力線400を介して信号保持部500に保持したデジタル信号を出力する。
The vertical control circuit 300 sets the signal φMEM to the H level. The
そして、垂直制御回路300は信号φS1をHレベルとする。 Then, the vertical control circuit 300 sets the signal φS1 to the H level.
GND電位供給線103の電位はフォトダイオード104のリセット動作や蓄積動作に伴って変動が生じる。一方で、バイアス線202の電位は一定である。よって、MOSトランジスタM2の制御ノードがバイアス線202に直結している場合には、GND電位供給線103の電位が変動すると、MOSトランジスタM2のゲートソース電圧が変動し、ドレイン電流、すなわち比較器140の駆動電流が変化する。比較器140の駆動電流が変化することで比較器140の動作点が変化するため、比較動作の精度の低下が生じる。比較動作の精度低下はAD変換部107のAD変換精度の低下となるため、AD変換部107のアナログ−デジタル変換特性の線形性を低下させる。また、GND電位供給線103のインピーダンスによる過渡応答の違いにより、画素101ごとにGND電位供給線103の電位の変動量が異なる。これにより、AD変換部107のAD変換精度が画素ごとに異なるため、撮像装置が生成する画像の画質を低下させる。また、GND電位供給線103を共有する画素101間では、ある画素101の動作によって生じたGND電位の変動が他の画素101のAD変換精度を低下させる。
The potential of the GND
他方で、GND電位供給線103の電位が安定するまでの待機期間を設けることは、撮像装置の高速化を妨げる要因となる。
On the other hand, providing a standby period until the potential of the GND
本実施例では、バイアス線202とGND電位供給線103との電位差に基づく電圧を容量素子109が保持する。これにより、GND電位供給線103の電位の変動に応じて、MOSトランジスタM2の制御ノードの電位も変動する。よって、MOSトランジスタM2のゲートソース電圧の変動が生じにくいため、比較器140に流れるドレイン電流が変動しにくくなる。これにより、GND電位供給線103の電位が安定するまでの待機時間を設けずとも、AD変換部107がGND電位供給線103の電位の変動を受けにくくすることができる。
In this embodiment, the
また、図2(c)に示すように、フレームレートを上げるためにフレーム内の動作を複数フレームで並列して行う場合、フォトダイオード104の動作とAD変換部107の動作が並列になるため、GND電位供給線103の変動の影響が大きくなる。この場合も、読出し期間中などのブランク期間でバイアス線202とGND電位供給線103との電位差に基づく信号を保持することで、AD変換部107がGND電位供給線103の変動を受けにくくすることができる。
In addition, as shown in FIG. 2C, when the operation in the frame is performed in parallel in a plurality of frames in order to increase the frame rate, the operation of the
本実施例の信号φS1の波形は、図2(b)に示した波形に限定されない。信号φS1をHレベルからLレベルとするタイミングは、AD変換期間を開始する前であれば、AD変換期間でのフォトダイオード104の蓄積動作によるGND電位供給線103の電位変動をAD変換部107が受けにくくすることができる。
The waveform of the signal φS1 in this embodiment is not limited to the waveform shown in FIG. If the timing at which the signal φS1 is changed from the H level to the L level is before the start of the AD conversion period, the
さらに言えば、本実施例では、AD変換部の一例として、入射線に基づく電荷を生成する変換部の出力する信号とランプ信号とを比較する形態を基に説明した。他の形態として、例えば、逐次比較型、フラッシュ型などのAD変換部であっても良い。これらの形態のAD変換部であっても、AD変換部を容量素子109の保持した電圧によって駆動することで、本実施例の撮像装置と同様の効果を得ることができる。
Furthermore, in this embodiment, as an example of the AD conversion unit, a description has been given based on a mode in which a signal output from a conversion unit that generates charges based on incident rays is compared with a ramp signal. As another form, for example, an AD conversion unit such as a successive approximation type or a flash type may be used. Even with these forms of AD converters, the same effects as those of the imaging apparatus of the present embodiment can be obtained by driving the AD converters with the voltage held by the
本明細書では、参照信号の時間に依存した電位の変化がスロープ状に行われる形態として説明したが、階段状に変化する形態の参照信号であっても良い。階段状に電位が変化する参照信号も、時間に依存して電位が変化する参照信号の一例である。 In the present specification, the change of the potential depending on the time of the reference signal is described as being performed in a slope shape, but the reference signal may be changed in a staircase shape. A reference signal whose potential changes stepwise is also an example of a reference signal whose potential changes depending on time.
本実施例では、比較器140のMOSトランジスタM2の制御ノードに、容量素子109の一方のノードが電気的に接続されている形態を示した。本実施例はこの形態に限定されるものではなく、容量素子109の保持した電圧に基づいて、AD変換部107が駆動される形態であれば良い。例えば、フォトダイオード104の電荷がリセットされている状態で、容量素子109がGND電位供給線103の電位に基づく電圧を保持する構成とする。そして、AD変換部107は、GND電位供給線103の電位ではなく、容量素子109が保持した電圧に基づいてAD変換動作を行う。これにより、AD変換部107は、GND電位供給線103の電位の変動を受けにくい構成とすることができる。つまり、容量素子109がGND電位供給線103の電位に基づく電圧を保持し、AD変換部107が、容量素子109が保持した電圧に基づいて動作する形態であれば良い。また、容量素子109がGND電位供給線103の電位に基づく電圧を保持するタイミングは、必ずしもフォトダイオード104の電荷がリセットされている状態でなくとも良い。図2(b)に示した、リセット期間の後に、AD変換部107がAD変換を行う。このAD変換で生成する信号をデジタルN信号と表記する。このAD変換時、あるいはAD変換前に、容量素子109がGND電位供給線103の電位に基づく電圧を保持する。その後、AD変換部107は、容量素子109が保持した電圧に基づいて、フォトダイオード104が光電変換して生成した電荷に基づく信号をAD変換する。このAD変換で生成する信号をデジタルS信号として表記する。メモリ部113はそれぞれデジタルN信号、デジタルS信号を保持するとともに、信号保持部500にそれぞれ出力する。例えば、出力部600がデジタルS信号からデジタルN信号を差し引いた信号を撮像装置の外部に出力する。これにより、撮像装置の外部に出力される信号に対する、比較器140ごとの特性ばらつきの影響を低減することができる。GND電位供給線103の電位でAD変換部107を駆動する場合、デジタルN信号とデジタルS信号のそれぞれのAD変換でGND電位供給線103の電位が変動することがある。この場合には、デジタルS信号からデジタルN信号を差し引いても、GND電位供給線103の電位の変動の影響が残る為、AD変換精度が低下する。一方で、容量素子109がデジタルN信号を生成するAD変換時、あるいはAD変換前に、GND電位供給線103の電位に基づく電圧を保持する。この容量素子109が保持した電圧でデジタルS信号のAD変換を行う。これにより、デジタルS信号とデジタルN信号のそれぞれのAD変換において、共通の電圧でAD変換部107が駆動されるため、デジタルS信号からデジタルN信号を好適に差し引くことができる。
In the present embodiment, the configuration in which one node of the
尚、本実施例では、バイアス線の電位に基づく電圧を容量素子が保持する形態を記載した。このバイアス線の電位に基づく電圧とは、バイアス線と容量素子との間の電気的経路に抵抗素子や他の容量素子が含まれている場合に、バイアス線から抵抗素子や他の容量素子を介して与えられる電圧を含む。 In this embodiment, a mode in which the capacitor holds a voltage based on the potential of the bias line is described. The voltage based on the potential of the bias line means that when a resistive element or other capacitive element is included in the electrical path between the bias line and the capacitive element, the resistive element or other capacitive element is removed from the bias line. Including the voltage applied via
また、本実施例では、画素101の行ごとにバイアス回路201を備える構成とした。本実施例はこの形態に限定されるものもではなく、画素101の列ごとにバイアス回路201を備える構成としても良い。
In this embodiment, the
フォトダイオード104は入射線に基づく電荷を生成する変換部の一例である。入射線に基づく電荷を生成する変換部は他に、例えば、X線、赤外線といった入射線に基づく電荷を生成する形態であってもよい。
The
(実施例2)
図面を参照しながら、実施例1とは異なる点を中心に本実施例の撮像装置を説明する。
(Example 2)
With reference to the drawings, the imaging apparatus of the present embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
図3(a)は本実施例の画素101の構成の一例を示した図である。図3(a)において、図1(b)で述べた撮像装置と同じ機能を有する構成については、図1(b)で付した符号と同じ符号を図3(a)でも付している。図3(a)に示した画素101では、MOSトランジスタM1、M2を有するバッファ回路を有している。本実施例のバッファ回路は、増幅回路の一例である。フォトダイオード104からスイッチ106を介して出力された電荷は、MOSトランジスタM2の制御ノードに与えられる。MOSトランジスタM2の一方の主ノードには、電源電圧供給線102が電気的に接続され、他方の主ノードにはMOSトランジスタM1が電気的に接続されている。また、MOSトランジスタM2とMOSトランジスタM1との電気的経路に設けられたノードからAD変換部107に信号が出力される。AD変換部107に出力される信号は、フォトダイオード104で生成された電荷に基づく信号である。MOSトランジスタM1の制御ノードに、容量素子122の一方のノードと、スイッチ121の一方のノードとがそれぞれ電気的に接続されている。また、容量素子122の他方のノードには、GND電位供給線103が電気的に接続されている。また、スイッチ121の他方のノードは、第3バイアス線203が電気的に接続されている。スイッチ121は不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φS2をHレベルとすると導通となり、Lレベルとすると非導通となる。AD変換部107の構成は、図2(a)と同様とすることができる。容量素子122は本実施例の第2容量素子である。スイッチ121は本実施例の第2スイッチである。
FIG. 3A is a diagram showing an example of the configuration of the
図3(a)に示した撮像装置の動作は、図2(b)と同様とすることができる。また、信号φS2は、信号φS1と同様の動作とすることができる。 The operation of the imaging apparatus illustrated in FIG. 3A can be the same as that in FIG. Further, the signal φS2 can be operated in the same manner as the signal φS1.
本実施例では、フォトダイオード104とAD変換部107との間の電気的経路にバッファ回路を設けることで、AD変換部107の入力負荷に応じてバッファの駆動力を調整することができる。また、フォトダイオード104とAD変換部107を分離することで、AD変換部107の動作によって生じるノイズがフォトダイオード104に入力されにくくなる。
In this embodiment, by providing a buffer circuit in the electrical path between the
本実施例では、フォトダイオード104とAD変換部107が共通に電気的に接続されているGND電位供給線103に対し、さらにバッファ回路が電気的に接続されている。本実施例の撮像装置では、容量素子122が第3バイアス線203とGND電位供給線103との電位差に基づく電圧を保持する。そしてバッファ回路は容量素子122が保持した電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって駆動される。これにより、GND電位供給線103の電位の変動に応じて、MOSトランジスタM1の制御ノードの電位も変動する。よって、MOSトランジスタM1のゲートソース電圧の変動が生じにくい。これにより、バッファ回路は、GND電位供給線103の電位の変動を受けにくい。
In this embodiment, a buffer circuit is further electrically connected to the GND
本実施例では、信号φS1、φS2を同じ波形の信号とする形態として説明したが、信号φS2を信号φS1とは異なる波形の信号としても良い。信号φS2をHレベルからLレベルとするタイミングは、AD変換期間を開始する前であれば、AD変換期間でのフォトダイオード104の蓄積動作によるGND電位供給線103の電位変動をバッファ回路が受けにくくすることができる。
In this embodiment, the signals φS1 and φS2 are described as having the same waveform, but the signal φS2 may be a signal having a waveform different from that of the signal φS1. If the timing at which the signal φS2 is changed from the H level to the L level is before the start of the AD conversion period, the buffer circuit is unlikely to receive the potential fluctuation of the GND
また、本実施例では、増幅回路の一例としてMOSトランジスタM1、M2を有するバッファ回路を示した。他の増幅回路の形態として、例えば反転ノードにフォトダイオード104の信号が与えられ、非反転ノードに基準電位が与えられる差動増幅器であってもよい。この基準電位が、容量素子122の保持する電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって与えられる構成であれば良い。つまり、本実施例の撮像装置では、増幅回路が容量素子122の保持する電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって駆動される構成であれば良い。
In this embodiment, a buffer circuit having MOS transistors M1 and M2 is shown as an example of an amplifier circuit. As another form of the amplifier circuit, for example, a differential amplifier in which the signal of the
本実施例では、第2バイアス線であるバイアス線202と第3バイアス線203とをそれぞれ別に設ける形態を説明したが、共通のバイアス線とする形態としても良い。他に、バイアス線202と第3バイアス線203とに共通の電位を供給する形態としても良い。
In the present embodiment, the mode in which the
(実施例3)
図面を参照しながら、実施例1とは異なる点を中心に本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の撮像装置は、AD変換部107の構成が実施例1とは異なる。
(Example 3)
With reference to the drawings, the imaging apparatus of the present embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment. The imaging apparatus of the present embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the
図3(b)は本実施例の画素101が有する、AD変換部107の構成の一例を示した模式図である。
FIG. 3B is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the
本実施例のAD変換部107の比較器140は、比較器140のゲインを調整するためのゲイン調整トランジスタであるMOSトランジスタM7、M8を有している。
The
本実施例のMOSトランジスタM7、M8のバックゲートには、GND電位供給線103が電気的に接続されている。また、MOSトランジスタM7、M8の制御ノードには、スイッチ123の一方のノードと、容量素子124の一方のノードと、のそれぞれに電気的に接続されている。
A GND
スイッチ123の他方のノードは第4バイアス線204に電気的に接続されている。また、容量素子124の他方のノードは、GND電位供給線103に電気的に接続されている。スイッチ123は、不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φS3をHレベルとすると導通となり、Lレベルとすると非導通となる。容量素子124は本実施例の第3容量素子である。スイッチ123は本実施例の第3スイッチである。
The other node of the
図3(b)に示した撮像装置の動作は、図2(b)と同様とすることができる。また、信号φS3は、信号φS1と同様の動作とすることができる。 The operation of the imaging apparatus illustrated in FIG. 3B can be the same as that in FIG. The signal φS3 can be operated in the same manner as the signal φS1.
MOSトランジスタM7、M8の制御ノードを第4バイアス線204に常時接続させ、GND電位供給線103の電位が変動してMOSトランジスタM7、M8のバックゲートの電位が変化した場合に次の問題が生じる。MOSトランジスタM7、M8の制御ノードの電位が一定であるとすると、MOSトランジスタM7、M8のバックゲートの電位の変動により、MOSトランジスタM7、M8のそれぞれで制御ノードとバックゲートとの電位差が変動してしまう。これにより、MOSトランジスタM7、M8の動作点が変化してしまう。従って、比較器140の比較動作の精度が低下してしまう。
When the control nodes of the MOS transistors M7 and M8 are always connected to the
本実施例では、フォトダイオード104とMOSトランジスタM2と電気的に接続されたGND電位供給線103に対し、さらに容量素子124を介してMOSトランジスタM7、M8の制御ノードが電気的に接続されている。MOSトランジスタM7、M8は、容量素子124が保持した電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって駆動される。また、GND電位供給線103に対し、MOSトランジスタM7、M8のバックゲートが電気的に接続されている。GND電位供給線103の電位変動によって生じるMOSトランジスタM7、M8のバックゲートの電位変動に応じて、MOSトランジスタM7、M8の制御ノードの電位も変動する。従って、GND電位供給線103の電位が変動しても、MOSトランジスタM7、M8の制御ノードとバックゲート間の電位差は変動しにくい。従って、MOSトランジスタM7、M8の動作点が変化しにくい。よって、比較器140の比較動作の精度の低下が生じにくい。
In the present embodiment, the control nodes of the MOS transistors M7 and M8 are further electrically connected to the GND
尚、本実施例ではMOSトランジスタM7、M8がNMOSトランジスタの形態について説明した。MOSトランジスタM7、M8をPMOSトランジスタとする場合には、図3(b)で容量素子124のGND電位供給線103と電気的に接続していたノードを、電源電圧供給線102に電気的に接続するようにすればよい。
In this embodiment, the MOS transistors M7 and M8 are described as NMOS transistors. When the MOS transistors M7 and M8 are PMOS transistors, the node that is electrically connected to the GND
また、AD変換期間に、信号φS1、φS2をHレベルとしたままとすると、容量素子109、124をバイアス線202、GND電位供給線103のノイズを低減するフィルタとして動作させることができる。よって、例えば、GND電位供給線103の電位の変動が収束するまでの待機時間を設けることが可能なフレームレートの場合には、信号φS1、φS2をHレベルのままとして容量素子109、124をフィルタとして動作させる。一方、GND電位供給線の103の電位の変動が収束するまでの待機時間を設けることが困難なフレームレートの場合には、本実施例で述べたように、容量素子109、124にバイアス線202とGND電位供給線103の電位差に基づく電圧を保持させれば良い。つまり、スイッチ123を導通から非導通にしてから、比較器140にフォトダイオード104が出力する信号と参照信号とを比較させるモードと、スイッチ123を導通としたまま、比較器140にフォトダイオード104が出力する信号と参照信号とを比較させるモードと、を含むモード群からモードを選択して撮像装置を動作させる形態としても良い。
Further, if the signals φS1 and φS2 are kept at the H level during the AD conversion period, the
(実施例4)
本実施例の撮像装置について、実施例1と異なる点を中心に説明する。
Example 4
The imaging apparatus of the present embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
図4(a)は本実施例の撮像装置の構成の一例である。本実施例では、複数の画素101を有する画素セル130が複数行、複数列設けられている。垂直制御回路300は画素セル130の行ごとに走査する。また、バイアス回路201は画素セル130の行に対応して設けられている。図4(a)に示した出力線400は1列の画素セル130に対し、画素セル130から出力される信号のビット数Nと画素セル130内の画素101の列数Mとの積であるN×M本設けられている。
FIG. 4A shows an example of the configuration of the imaging apparatus of the present embodiment. In this embodiment,
図4(b)は、図4(a)に示した画素セル130の一つを示したものである。画素セル130には、画素131が複数列、複数行設けられている。複数の画素131は、共通の第5バイアス線134に電気的に接続されている。第5バイアス線134は、容量素子133の一方のノードは、第5バイアス線134とスイッチ132の一方のノードとにそれぞれ電気的に接続されている。スイッチ132の他方のノードは、バイアス線202に電気的に接続されている。スイッチ132は、不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φS4をHレベルとすると導通となり、Lレベルとすると非導通となる。容量素子133の他方のノードは、GND電位供給線103に電気的に接続されている。
FIG. 4B shows one of the
図4(c)に、本実施例の画素131の構成を示す。図4(c)において、図1(b)で述べた撮像装置と同じ機能を有する構成については、図1(b)で付した符号と同じ符号を図4(c)でも付している。第5バイアス線134は、AD変換部107と電気的に接続されている。図4(c)に示した信号φRES、φTXは図2(a)に示した動作と同様とすることができる。本実施例の画素セル130内の各画素131のAD変換部107は、容量素子133が保持した電圧と、GND電位供給線103の電位と、によって駆動される。
FIG. 4C shows the configuration of the
信号φS4は、画素セル130内の信号φRESがHレベルになる前に、HレベルからLレベルとするのが好ましい。なぜなら、信号φS4がHレベルからLレベルになることにより、GND電位供給線103の電位変動の少ない状態で、バイアス線202とGND電位供給線103との電位差に基づく電圧を容量素子133が保持することができるためである。本実施例の撮像装置は、バイアス線202とGND電位供給線103の電位差に基づく電圧を保持する容量素子133を有する。これにより、フォトダイオード104の動作によって生じるGND電位供給線103の電位の変動に応じて、第5バイアス線134の電位が変動する。従って、第5バイアス線134とGND電位供給線103との電位差が変動しにくくなる。よって、本実施例の撮像装置についても、実施例1と同様の効果を得ることができる。
The signal φS4 is preferably changed from H level to L level before the signal φRES in the
また、本実施例の撮像装置では、複数の画素131に対して、バイアス線とGND電位供給線との電位差に基づく電圧を保持する容量素子を1つとしている。これにより、実施例1の撮像装置に比して、バイアス線とGND電位供給線との電位差に基づく電圧を保持する容量素子と、容量素子の信号保持動作を制御するスイッチの素子数を減らせる分、回路規模を縮小することができる。
In the imaging apparatus of this embodiment, a single capacitive element that holds a voltage based on the potential difference between the bias line and the GND potential supply line is provided for a plurality of
また、本実施例の画素131が、実施例2で述べたバッファ回路と容量素子122を有する形態であっても良い。また、本実施例のAD変換部107が実施例3で述べたように比較器140を有し、ゲインを調整するMOSトランジスタM7、M8を有する場合には、容量素子124を設けるようにしても良い。
Further, the
(実施例5)
図5は、実施例1〜実施例4の撮像装置を有する撮像システムである。
(Example 5)
FIG. 5 illustrates an imaging system including the imaging apparatuses according to the first to fourth embodiments.
図5において、撮像システムはレンズの保護のためのバリア151、被写体の光学像を撮像装置154に結像させるレンズ152、レンズ152を通った光量を可変にするための絞り153を有する。さらに撮像システムは、撮像装置154より出力される信号の処理を行う出力信号処理部155を有する。撮像装置154から出力される信号は、被写体を撮影した画像を生成するための撮像信号である。出力信号処理部155は撮像装置154から出力される撮像信号を必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像を生成する。レンズ152、絞り153は撮像装置154に光を集光する光学系である。
In FIG. 5, the imaging system includes a
図5に例示した撮像システムはさらに、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部156、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部157を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体159、記録媒体159に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部158を有する。さらに撮像システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部1510を有する。
The imaging system illustrated in FIG. 5 further includes a
図5に示した撮像システムが有する撮像装置154は、実施例1〜4で述べた形態とすることができる。これにより、図5の撮像システムの撮像装置154においても、実施例1〜4で述べた効果を得ることができる。
The
101 画素
102 電源電圧供給線
103 GND電位供給線
104 フォトダイオード
107 AD変換部
101
Claims (11)
前記変換部に電気的に接続された第1バイアス線と、
前記第1バイアス線とは別の電位が与えられる第2バイアス線と、
前記AD変換部と電気的に接続される一方のノードと、前記第1バイアス線と電気的に接続される他方のノードとを備えた容量素子と、
前記一方のノードと前記第2バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチと、を有し、
前記AD変換部は、比較器と、前記比較器を駆動する電流源として動作する電流供給トランジスタを備え、
前記容量素子の前記一方のノードは、前記電流供給トランジスタのゲートと電気的に接続されることを特徴とする撮像装置。 A pixel having a conversion unit that generates charges based on incident rays, and an AD conversion unit that converts a signal based on the charges generated by the conversion unit into a digital signal;
A first bias line electrically connected to the conversion unit;
A second bias line to which a potential different from the first bias line is applied;
A capacitive element including one node electrically connected to the AD converter and the other node electrically connected to the first bias line;
A switch that switches between conduction and non-conduction between the one node and the second bias line ,
The AD conversion unit includes a comparator and a current supply transistor that operates as a current source that drives the comparator,
The image pickup apparatus , wherein the one node of the capacitor is electrically connected to a gate of the current supply transistor .
前記容量素子の前記一方のノードが、複数の前記画素の各々の前記AD変換部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device has a plurality of the pixels,
The imaging apparatus according to claim 1 , wherein the one node of the capacitive element is electrically connected to the AD conversion unit of each of the plurality of pixels.
前記電流供給トランジスタは、前記第1入力トランジスタと前記第2入力トランジスタに電流を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。The imaging apparatus according to claim 1, wherein the current supply transistor supplies current to the first input transistor and the second input transistor.
前記電流供給トランジスタの一方の主ノードが、前記第1バイアス線に電気的に接続され、
前記電流供給トランジスタの他方の主ノードが、前記第1入力トランジスタと前記第2入力トランジスタとに電気的に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 The comparator outputs a comparison result signal indicating a result of comparing a potential applied to the first input transistor and a potential applied to the second input transistor;
One main node of the current supply transistor is electrically connected to the first bias line;
The imaging apparatus according to claim 3 , wherein the other main node of the current supply transistor is electrically connected to the first input transistor and the second input transistor.
前記撮像装置は、第3容量素子と、第4バイアス線と、第3スイッチと、
を有し、
前記第3容量素子の一方のノードが、前記ゲイン調整トランジスタに電気的に接続され、
前記第3容量素子の他方のノードが、前記第1バイアス線と電気的に接続され、
前記第3スイッチが、前記第3容量素子の前記一方のノードと前記第4バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 The comparator has a gain adjustment transistor for adjusting the gain of the comparator;
The imaging device includes a third capacitor element, a fourth bias line, a third switch,
Have
One node of the third capacitive element is electrically connected to the gain adjustment transistor,
The other node of the third capacitive element is electrically connected to the first bias line;
The imaging apparatus according to claim 4, wherein the third switch is a switch that switches between conduction and non-conduction between the one node of the third capacitor and the fourth bias line.
前記変換部と前記AD変換部との間の電気的経路に設けられた増幅回路と、第2容量素子と、第3バイアス線と、第2スイッチと、をさらに有し、
前記第2容量素子の一方のノードが、前記増幅回路に電気的に接続され、
前記第2容量素子の他方のノードが、前記第1バイアス線と電気的に接続され、
前記第2スイッチが、前記第2容量素子の前記一方のノードと前記第3バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の撮像装置。 The imaging device
An amplifier circuit provided in an electrical path between the conversion unit and the AD conversion unit, a second capacitance element, a third bias line, and a second switch;
One node of the second capacitive element is electrically connected to the amplifier circuit;
The other node of the second capacitive element is electrically connected to the first bias line;
6. The switch according to claim 1, wherein the second switch is a switch that switches between conduction and non-conduction between the one node of the second capacitive element and the third bias line. 7. Imaging device.
前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
を有する撮像システム。 An imaging device according to any one of claims 1 to 8,
A signal processing unit for processing a signal output from the imaging device;
An imaging system.
前記複数の変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換する複数のAD変換部と、A plurality of AD converters for converting signals based on the charges generated by the plurality of converters into digital signals;
前記複数の変換部の各変換部に電気的に接続された第1バイアス線と、A first bias line electrically connected to each converter of the plurality of converters;
前記第1バイアス線とは別の電位が与えられる第2バイアス線と、A second bias line to which a potential different from the first bias line is applied;
前記複数のAD変換部の各AD変換部と電気的に接続される一方のノードと、前記第1バイアス線と電気的に接続される他方のノードとを備えた容量素子と、A capacitive element including one node electrically connected to each AD converter of the plurality of AD converters, and the other node electrically connected to the first bias line;
前記一方のノードと前記第2バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチと、を有し、A switch that switches between conduction and non-conduction between the one node and the second bias line,
前記各AD変換部は、比較器と、前記比較器を駆動する電流源として動作する電流供給トランジスタを備え、Each of the AD conversion units includes a comparator and a current supply transistor that operates as a current source that drives the comparator,
前記容量素子の前記一方のノードは、前記電流供給トランジスタのゲートと電気的に接続されることを特徴とする撮像装置。The image pickup apparatus, wherein the one node of the capacitor is electrically connected to a gate of the current supply transistor.
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