JP6832649B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 - Google Patents
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Description
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
図1には、4トランジスタ(4Tr)APS画素の一例が示されている(たとえば特許文献1参照)。
リセットトランジスタTr2は、所定のリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線の電位にリセットする。
選択トランジスタTr4は、読み出しスキャン時に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタTr3はフローティングディフュージョンFDの電荷を電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換した列出力の読み出し信号を垂直信号線LSGN1に出力する。
続いて、所定の転送期間に、フォトダイオードPD1で光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。そして、ソースフォロワトランジスタTr3とフローティングディフュージョンFDに寄生する容量Cfd1によりフローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換されて、読み出し信号電圧Vsigとして垂直信号線LSGN1に出力される。
画素の出力信号は差分信号(Vrst−Vsig)として処理される。
図2には、容量性帰還トランスインピーダンスアンプ(CTIA:Capacitive Trans-Impedance Amplifier)画素の一例が示されている(たとえば特許文献2、3参照)。
図3には、画素内に横型オーバフロー蓄積キャパシタ(Lateral Overflow. Integration Capacitor: LOFIC)C2(容量CLOFIC)を設けた画素の一例が示されている(たとえば特許文献4参照)。
反対に、フローティングディフュージョンFDの容量Cfd1を上げると高輝度被写体のディテールは得られるが、低輝度被写体のディテールが欠落する。
さらに、フォトダイオードPD1とフローティングディフュージョンFD間の電位差の減少が顕著になり、ラグ(Lag)の発生による動画の画質劣化を招く。
また、画素リセット時におけるクロックフィードスルー等による電圧変動はコンバージョンゲインが高くなるほど大きくなり電圧振幅範囲を狭めるため、実効的な飽和電子数がさらに低下する。
よって一般的に、高感度化と高ダイナミックレンジ化を同時に実現することは従来の画素構成では困難であると言える。
ただし、高感度になるほど飽和電子数が低下するため、高輝度被写体のディテールがより欠落する。
ここでは、フォトダイオードPD2とフローティングディフュージョンFD間に転送トランジスタ(たとえば図1のTr1)を使わない場合を例示したが、転送トランジスタを使った場合も同様である。
高ゲイン側はFDノードの寄生容量が全てコンバージョンゲイン要因となるため、図1の4TrAPS型と同等程度までしか高感度化できない。
低ゲイン側の信号は、真の相関二重サンプリングができないため、リセット雑音、FD暗電流と暗電流ショット雑音、容量が接続されているノード(LO)での暗電流と暗電流ショット雑音を除去することができず、高ゲイン画像と低ゲイン画像を合成する際の精度が劣化する問題がある。
また、画素リセット時のクロックフィードスルー等により高ゲイン時の実効飽和電子数が減少するため、SNR10の最低被写体照度指標など実用的な性能劣化が懸念される。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の画素がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
このフォトダイオードPD11に対して、転送素子としての転送トランジスタTG−Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF−Tr、選択素子(選択スイッチ)としての選択トランジスタSEL−Tr、帰還素子(帰還スイッチ)としての帰還トランジスタFB−Tr、フローティングディフュージョンFD11、帰還キャパシタC11、および帯域制限キャパシタC12をそれぞれ一つずつ有する。
このように、第1の実施形態に係る画素PXLは、転送トランジスタTG−Tr、リセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワトランジスタSF−Tr、選択トランジスタSEL−Tr、および帰還トランジスタFB−Trの5トランジスタ(5Tr)を含んで構成されている。
画素増幅出力部22は、低ゲインの読み出し電圧(信号電圧)N1(VRST1,VSIG1)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。
画素増幅出力部22は、高ゲインの読み出し電圧(信号電圧)N2(VRST2,VSIG2)を第2の垂直信号線LSGN12に出力する。
画素増幅出力部22は、低ゲインの読み出し電圧N1(VRST1,VSIG1)の第1の垂直信号線LSGN11の出力と、高ゲインの読み出し電圧N2(VRST2,VSIG2)の第2の垂直信号線LSGN12の出力とを、同時並列的に行う機能を有する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔(ホール)であったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない4トランジスタ(4Tr)画素を採用している場合にも有効である。
転送トランジスタTG−Trは、制御信号TG<n>がハイレベルHの転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD11で光電変換され蓄積された電荷(電子)を画素増幅出力部22のフローティングディフュージョンFD11に転送する。
リセットトランジスタRST−Trは、制御信号RST<n>がHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD11を第2の垂直信号線LSGN12の電位にリセットする。
なお、第2の垂直信号線LSGN12の電位VREF等については後で詳述する。
ソースフォロワトランジスタSF−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD11が接続され、選択トランジスタSEL−Trは制御線LSEL<n>に通じてゲートに印加される制御信号SEL<n>により制御される。
選択トランジスタSEL−Trは、制御信号SEL<n>がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF−TrはフローティングディフュージョンFD11の電荷を電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換した列出力の低ゲインの読み出し電圧N1(VRST1,VSIG1)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。
すなわち、帰還キャパシタC11と帰還トランジスタFB−Trは、フローティングディフュージョンFD11と第2の垂直信号線LSGN12の間に、リセットトランジスタRST−Trと並列に接続されている。
帰還キャパシタC11は、一方の電極がフローティングディフュージョンFD11に接続され、他方の電極が帰還トランジスタFB−Trを介して第2の垂直信号線LSGN12に接続されている。
帰還トランジスタFB−Trは、制御信号FB<n>がHレベルの帰還(フィードバック)期間に選択されて導通状態となり、帰還キャパシタC11を第2の垂直信号線LSGN12の電気的に接続する。
また、帰還キャパシタC11は、MOM(Metal-Oxide-Metal)キャパシタを適用することにより、従来の4TrAPS画素より製造ばらつきが少なく、電圧依存性が小さい線形な応答特性と高感度化を実現することができる。
帯域制限キャパシタC12を設けることによって、帰還トランジスタFB−Trの熱雑音を低下させることができる。
帯域制限キャパシタC12の容量はClimに設定される。
なお、帯域制限キャパシタC12は容量の大きいMOS容量で実現してもよい。
また、スイッチング素子として機能するリセットトランジスタRST−Tr、選択トランジスタSEL−Tr、および帰還トランジスタFB−Trは、オンするために必要なゲート・ソース間電圧を低減するために、低閾値のトランジスタであってもよい。
一方、CTIA回路が飽和するとミラー効果が自動的に減少するため、より容量Cfd11の大きいフローティングディフュージョンFD11に残りの超過電荷が移動し、低ゲインで増幅された出力電圧N1(VRST1,VSIG1)を得る。
これにより、ゲイン切り替えのためトランジスタを駆動することによる、チャネル電荷の重畳や基板バイアス効果の閾値変動によるクロックフィードスルー電荷損失の要因が原理的に発生せず、フォトダイオードPD11からの電荷の個数を保存することができる。
その結果、高ゲインと低ゲインの合成において不連続点を発生させず、高精度に連結することができる。
図4においては、各制御線LSEL、LRST、LTGを1本の行走査制御線として表している。同様に、各垂直信号線LSGN11,LSGN12を1本の垂直信号線として表している。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
なお、カラム読み出し回路40は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、等を含んで構成可能である。
本第1の実施形態の読み出し回路40において、高ゲインの読み出し電圧N2(VRST2,VSIG2)は高ゲインサンプリング回路によりサンプリングし、低ゲインの読み出し電圧N1(VRST1,VSIG1)は低ゲインサンプリング回路によりサンプリングする。
カラム読み出し回路40においては、高ゲインと低ゲインの信号電圧N1,N2を同時にサンプリングする。
図6は、本第1の実施形態のカラム読み出し回路の構成例を示す回路図である。
エラーアンプ41の一方の入力端子(本例では反転入力端子(−))は直列キャパシタC41が接続され、直列キャパシタC41を介して第1の垂直信号線LSGN11に接続されている。
エラーアンプ41は、一方の入力端子(−)と出力端子との間にスイッチ44が接続されており、一方の入力端子(−)と出力端子とを選択的に接続状態(短絡状態)と非接続状態(非短絡状態)に切り替え可能に構成されている。
エラーアンプ41は、他方の入力端子(本例では非反転入力端子(+))は基準電圧VREFの供給ラインに接続されている。
本第1の実施形態においては、基準電圧VREFはダイナミックに切り替えることが可能に構成されている。
リセット用サンプリングスイッチ421は、信号SHRによりオン、オフが制御され、その出力側にリセット用ホールドキャパシタC423が接続されている。
信号用サンプリングスイッチ422は、信号SHSによりオン、オフが制御され、その出力側に信号用ホールドキャパシタC424が接続されている。
リセット用サンプリングスイッチ421は、信号SHRによりオン、オフが制御され、その出力側にリセット用ホールドキャパシタC433が接続されている。
信号用サンプリングスイッチ432は、信号SHSによりオン、オフが制御され、その出力側に信号用ホールドキャパシタC434が接続されている。
その結果、2回のサンプリングで読み出しが完了し高フレームレートを実現することができる。
画素より広い面積を割り当てることができるカラム回路を利用して、高DC利得、高速、低雑音なエラーアンプを実現することができる。
また、基準電圧VREFを切り替えることによって、高ゲインと低ゲインの範囲設定を可変することができる。
また、エラーアンプ41の入力段(前段)に備えた直列キャパシタC41(Cc)で画素のソースフォロワ出力とエラーアンプ入力をDC的にデカップリングすることで、エラーアンプ41をユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態(スイッチ44がオンの状態)にしても、画素PXLのソースフォロワトランジスタSF−Trによるアンプを閾値変動にかかわらず、常に飽和状態で動作させることができる。
エラーアンプ41をユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態にしたまま、画素リセット状態を解除することで、エラーアンプ出力を一定電圧(VREF)に固定することができ、リセットトランジスタRST−Trのクロックフィードスルーによる高ゲイン側の電圧振幅範囲減少を補償することができる。
そして、スイッチ44は、リセット期間およびリセット解除後の所定期間後にオフ状態(非接続状態)に保持され、前記エラーアンプを、ユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態から解放する。
以上、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る画素PXLの入出力伝達特性について説明する
図7において、横軸が入射光量を、縦軸が出力信号レベルを表している。
CTIA飽和点でCTIA出力が飽和し、自動的に画素の低ゲインアンプとしてのソースフォロワトランジスタSF−Tr(SF回路)が主に動作する。ここでは、CTIAとSF出力信号レベルを同一にしたが、本実施形態においては異なった値でも良い。
次に、本第1の実施形態における高ゲインと低ゲインの出力範囲の設定について説明する。
図8において、横軸は、標準時STDR、高ゲイン優先時HGNR、低ゲイン優先時LGNRの場合分けを示している。
縦軸は、画素のソースフォロワ(SF)アンプ電圧出力範囲(ただし閾値が0Vとする)VSFR、エラーアンプ41の電圧出力範囲VEARを示している。
図8において、VCLPは、エラーアンプ41の出力をクリップさせるクリップ電圧を、VREFはユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)構成時のエラーアンプ41の基準電圧を、VpinはフォトダイオードPD11のピンニング電圧(PD11から完全電荷転送を実現可能な最低電圧)を、それぞれ示している。
これにより、ダイナミックレンジは減少するがより高S/Nを保った画像取得が可能となる。
これにより、ダイナミックレンジを広げることができる
従来のLOFIC画素では、高ゲイン、低ゲインの範囲を個別に変更することができない。
時刻t1のフローティングディフュージョンFD11のリセット時に、低ゲイン電圧出力が最大になるよう、基準電圧VREFをクリップ電圧VCLP付近に設定する(a/(a+b) << b/(a+b)の関係)。
時刻t2のフローティングディフュージョンFDリセット解除後に、基準電圧VREFをΔVREF分だけ低下した電圧に変更する。その結果、エラーアンプ41の入力端子間に電位差が生じるが、その電位差をキャンセルにするようにエラーアンプ41の出力が低下する。容量性負帰還の効果により、最終的なエラーアンプ出力VREF’は、ΔVREF/帰還率β(Cfb11/(Cfb11+Cfd11))だけ基準電圧VREFから低下した電圧に落ち着く。VREF’はピンニング電圧Vpinより十分低い値に設定することが可能なため、従来のLOFIC画素より高ゲイン電圧範囲を大きくできる(a’ >> aの関係)。
これにより、FDノード電圧は(VREF−VREF’)×帰還率β(Cfb11/(Cfb11+Cfd11))分、つまりΔVREFだけ低下するが、βが0.125、(VREF−VREF’)が2Vとしても0.25V程度の損失にしかならず(c’ /(b’ +c’) << b’ /(b’ +c’)の関係)、図8に示した低ゲイン出力範囲拡大LGNRの場合における、画素SF電圧可動範囲VSFRよりも大きく設定することができる。
よって、高ゲイン電圧範囲と低ゲイン電圧範囲の両方を同時に拡大させたいとき、またはクリップ電圧VCLPや電源電圧を下げた場合でも、充分な高ゲイン電圧範囲と低ゲイン電圧範囲の両方を得たいときに有効である。
次に、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の積層構造について説明する。
固体撮像装置10は、たとえばウェハレベルで貼り合わせた後、ダイシングで切り出した積層構造の撮像装置として形成される。
本例では、第2基板120上に第1基板110が積層された構造を有する。
そして、第2基板120には、その中央部を中心として画素アレイ部111の各画素受光部21と接続される各画素PXLの画素増幅出力部22がマトリクス状に配列された画素増幅アレイ部121が形成されている。
そして、画素増幅アレイ部121の周囲、図10の例では、図中の上側および下側にカラム読み出し回路40用の領域122,123が形成されている。なお、カラム読み出し回路40は、画素増幅アレイ部121の上側および下側のいずれかに配置されるように構成してもよい。
また、第2基板120には、垂直走査回路30、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60も形成されてもよい。
以上、固体撮像装置10の各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の読み出し動作等について詳述する。
図12は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し動作を説明するための2行分のタイミングチャートである。
また、図11には、第2の垂直信号線LSGN12に出力される高ゲインの読み出し電圧(信号電圧)N2(VRST2,VSIG2)も示されている(二点鎖線で示されている)。
図11において、cでは高ゲイン出力が飽和しクリップ電圧VCLPにクリップされている状態を示す
図11において、高ゲイン出力が飽和するまでは、低ゲイン出力はほとんど変化しないことを示している。
図11において、高ゲイン出力が飽和すると、低ゲイン出力が変化することを示している。
ここでは画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各画素PXLに接続された制御線LSELに印加される制御信号SEL<n>がHレベルに設定されて画素PXLの選択トランジスタSEL−Trが導通状態となる。
同様に、その選択された行の各画素PXLに接続された制御線LFBに印加される制御信号FB<n>がHレベルに設定されて画素PXLの帰還トランジスタFB−Trが導通状態となる。これにより、画素PXLの帰還キャパシタC11が第2の垂直信号線LSGN12と電気的に接続状態となる。
また、このとき、高ゲイン用サンプリング回路42のリセット用サンプリングスイッチ421および低ゲイン用サンプリング回路43のリセット用サンプリングスイッチ431をオンオフ制御する制御信号SHRがHレベルに設定されてリセット用サンプリングスイッチ421,431がオン状態となる。
このリセット期間が経過した時刻t2の後(リセットトランジスタRST−Trが非導通状態)、転送期間が開始される前に制御信号SHRがLレベルに切り替えられる時刻t3までの期間が、FDノードリセット解除後のセットリング期間となる。
このとき、スイッチ44の制御信号SWがHレベルに設定されたままであることから、エラーアンプ41はユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態に保持されたままであり、FDノードリセット状態を解除することで、エラーアンプ出力を一定電圧(VREF)に固定することができ、リセットトランジスタRST−Trのクロックフィードスルーによる高ゲイン側の電圧振幅範囲減少を補償することができる。
同様に、第1の垂直信号線LSGN11には、低ゲインの読み出しリセット電圧N1(VRST1)が出力され、この読み出しリセット電圧VRST1は低ゲイン用サンプリング回路43に供給される。
転送期間においては、転送トランジスタTG−Trが、制御線LTGに印加される制御信号TG<n>がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFD11に転送される。
これに対して、フローティングディフュージョンFD11のノード電圧と第1の垂直信号線LSGN11に出力される画素の低ゲインのSFアンプ出力は電圧が下がる。
これは、飽和するまでエラーアンプ41の出力側が上がり続け、飽和しだすと画素のSFアンプ出力電圧が下がり始める。
この場合、ゲインが高いため、エラーアンプ41の出力側の変化量は画素のSFアンプ出力電圧の変化量より大きい。
換言すれば、時刻t5〜t6は信号電荷転送後のセットリング期間である。
同様に、第1の垂直信号線LSGN11には、低ゲインの読み出し信号電圧N1(VSIG1)が出力され、この読み出し信号電圧VSIG1は低ゲイン用サンプリング回路43に供給される。
同様に、低ゲインの信号電圧VSIG1とリセット電圧VRST1の差分演算(VRST1−VSIG1)をとることで信号成分を取り出す。
よって、オフ電圧を自身の閾値電圧より充分低く、かつ0Vより少し高めに設定することで、溢れ出した電荷を垂直信号線に流し込む経路を形成することによりブルーミングを低減することができる。
時刻t7〜t8は、PDリセット期間(電子シャッタ機能)、およびFDノード再リセット期間である。
この期間においては、電子シャッタを実現するため、PDを任意の行のFDリセット期間を使用してリセットする。
また、信号を読み出した直後にFDノードを再度リセットすることで、メモリ効果による影響をキャンセルする。
その非選択行の各画素PXLに接続された制御線LFBに印加される制御信号FB<n>がHレベルに設定されて画素PXLの帰還トランジスタFB−Trが導通状態となる。これにより、画素PXLの帰還キャパシタC11が第2の垂直信号線LSGN12と電気的に接続状態となる。
同様に、転送トランジスタTG−Trが、制御線LTGに印加される制御信号TG<n>がHレベルの期間に選択されて導通状態となる。
これにより、フォトダイオードPD11およびFDノードが第2の垂直信号線LSGN12の電位にリセットされる。
その選択された行の各画素PXLに接続された制御線LFBに印加される制御信号FB<n+1>がHレベルに設定されて画素PXLの帰還トランジスタFB−Trが導通状態となる。これにより、画素PXLの帰還キャパシタC11が第2の垂直信号線LSGN12と電気的に接続状態となる。
一方に、転送トランジスタTG−Trが、制御線LTGに印加される制御信号TG<n+1>がLレベルの期間に選択されて非導通状態となる。
これにより、FDノードが第2の垂直信号線LSGN12の電位にリセットされる。
図14(A)および(B)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し動作を説明するための第2のポテンシャル図である。
図13(A)は時刻t1のFDリセット状態を、図13(B)は時刻t2のFDリセット解除後の状態を、図13(C)は時刻t4のPDの信号電荷転送の状態を、図14(A)は時刻t6の低輝度時の状態を、図14(B)は時刻t6の高輝度時の状態をそれぞれ示している。
また、スイッチ44の制御信号SWがHレベルに設定されて、エラーアンプ41は、ユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態となる。
これにより、フローティングディフュージョンFD11のノードが第2の垂直信号線LSGN12に接続されて、基準電圧VREFになる。
エラーアンプ41の出力(N2)はFDリセット解除時に電圧VREFに固定されているため、リセットトランジスタRST−Trからのクロックフィードスルーによる影響をキャンセルすることができる。
セットリング後の時刻t3における電圧(VST1、VRST2)を同時にサンプルして、初期電位とする。
これにより、フォトダイオードPD11からフローティングディフュージョンFD11に電荷を転送する。
このときエラーアンプ自体はオープンループ構成にし、画素SFアンプと画素容量帰還回路を組み合わせて、大きなCTIA回路として動作させる。
セットリング後の時刻t6における電圧(VSIG1、VSIG2)を同時にサンプルして、光信号電位とする。
画素のSFアンプ出力は、FDノード電位から閾値電圧分(Vth,sf)だけ低下した電圧を出力する。
よって、低ゲイン側にはほとんど信号変化が発生しない。
このときの電位(VSIG1、VSIG2)を同時にサンプリングして、初期電位(VRST1、VRST2)と差分演算を行うことで各アンプのオフセットをキャンセルし、光信号成分のみを高精度に検出する。
CTIA回路で扱えなかった超過電子はFDノードに集まり、FDノード電位を下げる。
よって、高ゲイン側は飽和状態の出力電圧が得られ、低ゲイン側にも大きな信号変化を得る。
このときの電位(VSIG1、VSIG2)を同時にサンプリングして、初期電位(VRST1、VRST2)と差分演算を行うことで各アンプのオフセットをキャンセルし、光信号成分のみを高精度に検出する。
次に、上記した構成および機能を有する本第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、高感度出力および低感度出力できる原理について、画素出力の数式モデルに関連付けて説明する。
ここでは、図15に示すように、フォトダイオードPDは、光電変換機能を電流源Ipdと容量CpdでフォトダイオードモデルPDMとしてモデル化している。
下記数1に示すように、FDノードに対しての微分方程式を立てる。
A1は画素SFアンプのゲイン(1.0とする)、A2はエラーアンプ41のDC利得(>1万倍とする)。
A1とA2の積を非常に高くできるため、画素出力は1/Cfbに比例する。
従来の画素内にエラーアンプがある構成では、エラーアンプのゲインを充分なレベルまで高めることが困難であるが、本方式ではそれができるため、より高感度な画素特性を得ることができる。
高感度出力が飽和すると残りの超過電子はCpdに集まる(4Tr画素の場合はCfd)。
画素出力は1/Cpdに比例する。
よって、Cpdが充分大きい場合は、高輝度な入力であっても画素出力を飽和させずに出力できるため、高輝度被写体のディテールを再現することができる。
また、最低被写体照度の性能を向上させることができるように構成されている。
容量Cfb11の帰還キャパシタC11をMOM(Metal-Oxide-Metal)容量を用いることで、従来の4Tr−APS画素より製造バラつきが少なく、電圧依存性が小さい線形な応答特性と高感度化を実現できる。
CTIAに必要なエラーアンプ41は、より広い面積を使うことができる列回路に実装できるため、高DCゲイン、高速性を両立でき、従来のCTIA画素より、高精度で高速な読出しを実現することができる。
エラーアンプ41ユニティゲインバッファ(をUnity Gain Buffer)状態にしたまま、画素リセット状態を解除することで、エラーアンプ出力を一定電圧(VREF)に固定することができ、リセットトランジスタ(RST−Tr)のクロックフィードスルーによる高ゲイン側の電圧振幅範囲減少を補償することができる。
また、帯域制限キャパシタC12(Clim)によって帰還トランジスタFB−Trの熱雑音をさらに低下させることができる。
一方、CTIA回路が飽和するとミラー効果が自動的に減少するため、より容量の大きいCfdに残りの超過電荷が移動し、低ゲインで増幅された出力電圧を得る。
したがって、従来のLOFIC画素と比較して、ゲインの切り替えにパルス駆動が不要であり、かつ自動で行われることに特徴がある。
これにより、ゲイン切り替えのためトランジスタを駆動することによる、チャネル電荷の重畳や基板バイアス効果の閾値変動によるクロックフィードスルー電荷損失の要因が原理的に発生せず、フォトダイオードからの電荷の個数を保存することができる。
その結果、高ゲインと低ゲインの合成において不連続点を発生させず、高精度に連結することができる。
第1基板110には、その中央部を中心として画素部20の各画素PXLの画素受光部21がマトリクス状に配列された画素アレイ部111が形成されている。
そして、第2基板120には、その中央部を中心として画素アレイ部111の各画素受光部21と接続される各画素PXLの画素増幅出力部22がマトリクス状に配列された画素増幅アレイ部121が形成されている。
そして、画素増幅アレイ部121の周囲にカラム読み出し回路40用の領域122,123が形成されている。
本第1の実施形態において、第1基板110の画素アレイ部111に形成される各画素受光部21は、フォトダイオードPD11と転送トランジスタTG−Trのみを備えている。そして、光電変換によって生成された電荷はそのまま第2基板120側へ伝達される。
図16は、本発明の第2の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
本第2の実施形態の画素PXLAは、フローティングディフュージョンFD11のノードに容量Cdrの高輝度用キャパシタC13が接続されている。
容量Cdrの高輝度用キャパシタC13の追加によってFDノード容量が増加しても、負帰還機構により高ゲイン側のコンバージョンゲインの低下は1/(1+Adc)に抑制されるため、ほとんど影響を及ぼさない(Adcはエラーアンプ41のDC利得を表し、一般的に1万倍以上)。
図17は、本発明の第3の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
本第3の実施形態の画素PXLBは、フローティングディフュージョンFD11のノードに対してLOFICキャパシタC14(容量(Clofic))とトランジスタLO−TrからなるLOFIC回路23が接続されている。
LOFIC回路23は、画素増幅出力部22に対して追加されている。
LOFIC回路23は、フローティングディフュージョンの容量に、所定の容量を選択的に付加可能な回路に相当する。
また、トランジスタLO−Trを常にオン状態にすることで、2つの異なるゲイン(高ゲイン、低ゲイン)を備える画素として動作させることもできる。
図18は、本発明の第4の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
本第4の実施形態の画素PXLCは、CTIA帰還回路24がいわゆるTスイッチ方式に構成されている。
そして、接続ノードND21と電源VSETとの間に、制御信号SET<n>によって選択的にオンオフされるスイッチ素子としてのトランジスタSE−Trが接続されている。
図19は、本発明の第5の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
本第5の実施形態の画素PXLDは、フローティングディフュージョンFD11のノードに代わり、画素受光部21Dに対してLOFICキャパシタC14(容量(Clofic))とトランジスタLO−Tr、LO2−TrからなるLOFIC回路23Dが接続されている。
また、トランジスタLO−Trを常にオン状態にすることで、2つの異なるゲイン(高ゲイン、低ゲイン)を備える画素として動作させることもできる。
図20は、本発明の第6の実施形態に係るカラム読み出し回路の構成例を示す図である。
本第6の実施形態のカラム読み出し回路40Aは、エラーアンプ41の出力側にクランプ回路45が接続されている。
すなわち、本第6の実施形態によれば、高ゲインと低ゲインの境界における非線形性を低減することができ、両ゲインの画像合成を高精度に行うことができる。
また、高ゲイン電圧範囲の上限を自由に設定することができ、回路の可用性が高まる。
図21は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。
本第7の実施形態の積層構造では、もう1セットのカラム読み出し回路112,113が第1基板110側にも形成されている。
また、第2基板120側のカラム読み出し回路で必要となるキャパシタだけを第1基板110側に実装してもよい。これにより、カラム読出し回路全体のカラム長が短縮され、チップ透視面における画素アレイ部とカラム読出し回路の面積比率が向上し、積層チップとしての小型化に寄与する。
さらに、電子機器200は、このCMOSイメージセンサ210の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)220を有する。
電子機器200は、CMOSイメージセンサ210の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)230を有する。
信号処理回路230で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
Claims (20)
- 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記帰還キャパシタの容量Cfbは前記フローティングディフュージョンの容量Cfdより小さく、
高ゲインは1/Cfbに比例し、低ゲインは1/Cfdに比例し、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続されている
固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
前記読み出し回路を含み、前記画素部からの画素信号の読み出し制御を行う読み出し部と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、
前記読み出し部の駆動制御の下、
前記光電変換素子からの電荷が少ない場合は、前記アンプと前記帰還キャパシタを含む容量性帰還トランスインピーダンスアンプ(CTIA)回路によって作りだされるミラー効果によって、電荷を帰還キャパシタにすべて転送させて、高ゲインで増幅された出力電圧を得、
前記CTIA回路が飽和するとミラー効果が自動的に減少することにより、より容量の大きい前記フローティングディフュージョンに残りの超過電荷を移動させて、低ゲインで増幅された出力電圧を得る
固体撮像装置。 - 前記画素は、
帰還期間に前記帰還キャパシタを前記第2の信号線と電気的に接続する帰還素子を含む
請求項1または2記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
選択期間に前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子を含む
請求項1から3のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し回路は、
前記アンプの入力段に接続された直列キャパシタを含む
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し回路は、
前記アンプの入力端子と出力端子とを選択的に接続状態と非接続状態に切り替え可能なスイッチを含む
請求項1から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し回路は、
前記第1の信号線に接続され、前記第1の信号線に読み出された低ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な低ゲイン用サンプリング回路と、
前記アンプの出力端子と前記第2の信号線との接続ノードに接続され、前記第2の信号線に読み出された高ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な高ゲイン用サンプリング回路と、を含む
請求項1から6のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し回路は、
前記アンプとしてのエラーアンプと、
直列キャパシタと、
接続状態と非接続状態を切り替え可能なスイッチと、
前記第1の信号線に接続され、前記第1の信号線に読み出された低ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な低ゲイン用サンプリング回路と、
前記第2の信号線に読み出された高ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な高ゲイン用サンプリング回路と、を含み、
前記エラーアンプは、
出力端子が前記第2の信号線に接続され、その接続ノードが前記高ゲイン用サンプリング回路に接続され、
一方の入力端子は前記直列キャパシタが接続され、前記直列キャパシタを介して前記第1の信号線に接続され、
前記一方の入力端子と前記出力端子との間に前記スイッチが接続され、
他方の入力端子が基準電圧の供給ラインに接続されている
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記基準電圧を切り替えることによって、高ゲインと低ゲインの範囲設定を可変すること可能である
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記エラーアンプの出力側にクランプ回路が接続されている
請求項8または9記載の固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、
前記読み出し回路は、
前記アンプとしてのエラーアンプと、
直列キャパシタと、
接続状態と非接続状態を切り替え可能なスイッチと、
前記第1の信号線に接続され、前記第1の信号線に読み出された低ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な低ゲイン用サンプリング回路と、
前記第2の信号線に読み出された高ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な高ゲイン用サンプリング回路と、を含み、
前記エラーアンプは、
出力端子が前記第2の信号線に接続され、その接続ノードが前記高ゲイン用サンプリング回路に接続され、
一方の入力端子は前記直列キャパシタが接続され、前記直列キャパシタを介して前記第1の信号線に接続され、
前記一方の入力端子と前記出力端子との間に前記スイッチが接続され、
他方の入力端子が基準電圧の供給ラインに接続され、
前記基準電圧を切り替えることによって、高ゲインと低ゲインの範囲設定を可変すること可能である
固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、
前記読み出し回路は、
前記アンプとしてのエラーアンプと、
直列キャパシタと、
接続状態と非接続状態を切り替え可能なスイッチと、
前記第1の信号線に接続され、前記第1の信号線に読み出された低ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な低ゲイン用サンプリング回路と、
前記第2の信号線に読み出された高ゲインの読み出し電圧をサンプリング可能な高ゲイン用サンプリング回路と、を含み、
前記エラーアンプは、
出力端子が前記第2の信号線に接続され、その接続ノードが前記高ゲイン用サンプリング回路に接続され、
一方の入力端子は前記直列キャパシタが接続され、前記直列キャパシタを介して前記第1の信号線に接続され、
前記一方の入力端子と前記出力端子との間に前記スイッチが接続され、
他方の入力端子が基準電圧の供給ラインに接続され、
前記エラーアンプの出力側にクランプ回路が接続されている
固体撮像装置。 - 前記スイッチは、
前記画素の前記リセット期間およびリセット解除後の所定期間、接続状態に保持され、前記エラーアンプを、ユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態に保持し、
前記所定期間後に非接続状態に保持され、前記エラーアンプを、ユニティゲインバッファ(Unity Gain Buffer)状態から解放する
請求項8から12のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 第1の基板と、
第2の基板と、を含み、
前記第1の基板と前記第2の基板は接続部を通して接続された積層構造を有し、
前記第1の基板には、
少なくとも、前記画素の前記光電変換素子と前記転送素子が画素受光部として形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記画素の前記フローティングディフュージョンと、前記ソースフォロワ素子と、前記リセット素子と、前記帰還キャパシタとが画素増幅出力部として形成され、前記第1の信号線と、前記第2の信号線と、少なくともアンプを含む前記読み出し回路の少なくとも一部が形成されている
請求項1から13のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、さらに、
第1の基板と、
第2の基板と、を含み、
前記第1の基板と前記第2の基板は接続部を通して接続された積層構造を有し、
前記第1の基板には、
少なくとも、前記画素の前記光電変換素子と前記転送素子が画素受光部として形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記画素の前記フローティングディフュージョンと、前記ソースフォロワ素子と、前記リセット素子と、前記帰還キャパシタとが画素増幅出力部として形成され、前記第1の信号線と、前記第2の信号線と、少なくともアンプを含む前記読み出し回路の少なくとも一部が形成されている
固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記フローティングディフュージョンの容量に、所定の容量を選択的に付加可能な回路が接続され、
帰還期間に前記帰還キャパシタを前記第2の信号線と電気的に接続する帰還素子と、 前記帰還キャパシタと前記帰還素子との接続ノードを選択的に所定の電源に接続するスイッチ素子と、を含み、
前記リセット素子は、前記フローティングディフュージョンと、前記帰還キャパシタと前記帰還素子との接続ノードと間に接続されている
請求項1から15のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し回路と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、さらに、
前記画素は、
前記フローティングディフュージョンの容量に、所定の容量を選択的に付加可能な回路が接続され、
帰還期間に前記帰還キャパシタを前記第2の信号線と電気的に接続する帰還素子と、 前記帰還キャパシタと前記帰還素子との接続ノードを選択的に所定の電源に接続するスイッチ素子と、を含み、
前記リセット素子は、前記フローティングディフュージョンと、前記帰還キャパシタと前記帰還素子との接続ノードと間に接続されている
固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し部と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続されている
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換素子からの電荷が少ない場合は、前記アンプと前記帰還キャパシタを含む容量性帰還トランスインピーダンスアンプ(CTIA)回路によって作りだされるミラー効果によって、電荷を帰還キャパシタにすべて転送させて、高ゲインで増幅された出力電圧を得、
前記CTIA回路が飽和するとミラー効果が自動的に減少することにより、より容量の大きい前記フローティングディフュージョンに残りの超過電荷を移動させて、低ゲインで増幅された出力電圧を得る
固体撮像装置の駆動方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し部と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記帰還キャパシタの容量Cfbは前記フローティングディフュージョンの容量Cfdより小さく、
高ゲインは1/Cfbに比例し、低ゲインは1/Cfdに比例し、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続されている
電子機器。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部と、
画素から読み出される画素読み出し電圧を増幅可能なアンプを含む読み出し部と、
前記読み出し回路を含み、前記画素部からの画素信号の読み出し制御を行う読み出し部と、
低ゲインの読み出し電圧が出力される第1の信号線と、
前記アンプの出力側が接続され、高ゲインの読み出し電圧が出力される第2の信号線と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを前記第2の信号線の電位または所定の電位にリセットするリセット素子と、
一方の電極が前記フローティングディフュージョンに接続され、他方の電極が前記第2の信号線に接続される帰還キャパシタと、を含み、
前記第1の信号線は、
前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインに接続され、かつ、前記アンプの入力側に接続され、
前記読み出し部の駆動制御の下、
前記光電変換素子からの電荷が少ない場合は、前記アンプと前記帰還キャパシタを含む容量性帰還トランスインピーダンスアンプ(CTIA)回路によって作りだされるミラー効果によって、電荷を帰還キャパシタにすべて転送させて、高ゲインで増幅された出力電圧を得、
前記CTIA回路が飽和するとミラー効果が自動的に減少することにより、より容量の大きい前記フローティングディフュージョンに残りの超過電荷を移動させて、低ゲインで増幅された出力電圧を得る
電子機器。
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