JP6995550B2 - Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。 The present invention relates to a solid-state image sensor, a method for driving the solid-state image sensor, and an electronic device.
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
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。
A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor is put into practical use as a solid-state image sensor (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates electric charges.
CMOS image sensors are widely applied as part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), and mobile terminal devices (mobile devices) such as mobile phones. There is.
CMOSイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード(光電変換素子)および浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するFDアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列(カラム)出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。 The CMOS image sensor has an FD amplifier having a photodiode (photoelectric conversion element) and a floating diffusion layer (FD) for each pixel, and its readout selects a certain line in the pixel array. However, the column parallel output type that reads them out in the column output direction at the same time is the mainstream.
また、列並列出力型CMOSイメージセンサの画素信号読み出し(出力)回路については実に様々なものが提案されている。
それらの中で、その最も進んだ回路のひとつが、列(カラム)毎にアナログ-デジタル変換器(ADC(Analog digital converter))を備え、画素信号をデジタル信号として取り出す回路である(たとえば特許文献1,2参照)。
Further, various kinds of pixel signal readout (output) circuits of the column parallel output type CMOS image sensor have been proposed.
Among them, one of the most advanced circuits is a circuit equipped with an analog-to-digital converter (ADC (Analog digital converter)) for each column and extracting a pixel signal as a digital signal (for example, Patent Document). See 1 and 2).
この列並列ADC搭載CMOSイメージセンサ(カラムAD方式CMOSイメージセンサ)では、比較器(コンパレータ)はいわゆるRAMP波と画素信号の比較をして、後段のカウンタでデジタルCDSを行うことによりAD変換を行う。 In this column-parallel ADC-equipped CMOS image sensor (column AD method CMOS image sensor), the comparator (comparator) compares the so-called RAMP wave and the pixel signal, and performs AD conversion by performing digital CDS with the counter in the subsequent stage. ..
しかしながら、この種のCMOSイメージセンサは、信号の高速転送が可能であるが、グローバルシャッタ読み出しができないという不利益がある。
However, although this type of CMOS image sensor is capable of high - speed signal transfer, it has the disadvantage of not being able to read out the global shutter.
これに対して、各画素に比較器を含むADC(さらにはメモリ部)を配置して、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタをも実現可能にするデジタル画素(ピクセル)センサが提案されている(たとえば特許文献3,4参照)。
On the other hand, an ADC (furthermore, a memory unit) including a comparator is arranged in each pixel, and a global shutter that executes exposure start and exposure end at the same timing for all pixels in the pixel array unit is provided. A digital pixel sensor has been proposed (see, for example,
ところが、上述した従来のデジタル画素センサを備えたCMOSイメージセンサでは、グローバルシャッタ機能を実現することは可能であるが、たとえば蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用していないことから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化には限界がある。 However, although the CMOS image sensor equipped with the above-mentioned conventional digital pixel sensor can realize the global shutter function, for example, the charge overflowing from the photodiode during the storage period is not used in real time. There is a limit to wide dynamic range and high frame rate.
また、CMOSイメージセンサの重要な性能指標にランダムノイズがあり、主なランダムノイズ源として、画素とAD変換器があることが知られている。
一般的には、ランダムノイズ低減手法として、トランジスタサイズを大きくすることでフリッカノイズ(flicker noise)を低減する、もしくは比較器出力に容量を付加し、帯域を落とすことでCDSによるノイズのフィルタ効果を狙う方法が知られている。
しかし、それぞれの手法では、面積が増大する、容量増により比較器の反転遅延が悪化し、撮像素子のフレームレートが上げられないという不利益がある。
Random noise is an important performance index of CMOS image sensors, and it is known that pixels and AD converters are the main sources of random noise.
Generally, as a random noise reduction method, flicker noise is reduced by increasing the transistor size, or a capacitance is added to the comparator output and the band is reduced to reduce the noise filter effect by CDS. The method of aiming is known.
However, each method has the disadvantages that the inversion delay of the comparator deteriorates due to the increase in area and capacity, and the frame rate of the image sensor cannot be increased.
また、AD変換処理後のデータを記憶するメモリ部としては8ビットや12ビット等、nビットのメモリが必要となるが、たとえば2段階等の複数段階で画素信号の読み出しを行う場合、トータルで2nビット等の容量が必要となる。
また、デジタルCDSを考慮した場合、さらに大きい4nビット等の容量が必要になる。
したがって、AD変換処理に応じたメモリの効率的なアクセスが必要となる。
Further, an n-bit memory such as 8-bit or 12-bit is required as a memory unit for storing the data after the AD conversion process, but when reading the pixel signal in a plurality of stages such as two stages, the total is A capacity such as 2n bits is required.
Further, when considering the digital CDS, a larger capacity such as 4n bits is required.
Therefore, efficient access to the memory according to the AD conversion process is required.
また、各画素に比較器を含むADC(さらにはメモリ部)を配置することから、有効画素領域を最大限に拡大することは困難で、コストあたりの価値を最大限に高めることが困難である。 Further, since the ADC (furthermore, the memory unit) including the comparator is arranged in each pixel, it is difficult to maximize the effective pixel area, and it is difficult to maximize the value per cost. ..
本発明は、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかもメモリの効率的なアクセスが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
また、本発明は、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、メモリの効率的なアクセスが可能であり、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
The present invention provides a solid-state image sensor, a method for driving a solid-state image sensor, and an electronic device that can realize a substantially wide dynamic range and a high frame rate and can efficiently access a memory. To do.
In addition, the present invention can substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, enable efficient access to the memory, reduce noise, and maximize the effective pixel area. It is an object of the present invention to provide a solid-state image sensor, a method for driving a solid-state image sensor, and an electronic device that can be expanded to the maximum and can maximize the value per cost.
本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶可能なメモリ部と、前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行うことが可能で、前記メモリ制御部は、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御する。 The solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention has a pixel unit in which pixels for photoelectric conversion are arranged and a readout unit for reading a pixel signal from the pixel of the pixel unit, and the pixels are stored. A photoelectric conversion element that stores the charge generated by photoelectric conversion during the period, a transfer element that can transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the transfer period after the storage period, and the photoelectric conversion element through the transfer element. Refer to the output node to which the accumulated charge is transferred, the output buffer unit that converts the charge of the output node into a voltage signal according to the amount of charge, and outputs the converted voltage signal, and the voltage signal by the output buffer unit. A comparison device that compares the voltage and outputs a digitized comparison result signal, a memory unit that can store data corresponding to the comparison result signal of the comparison device, and a comparison result signal of the comparison device. The comparator includes a memory control unit that controls access to the memory unit according to a state, and the comparator overflows from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period under the control of the readout unit. The first comparison process that outputs a digitized first comparison result signal for the voltage signal according to the overflow charge, and the accumulation of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the accumulation period. It is possible to perform a second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal with respect to the voltage signal according to the charge, and the memory control unit may perform the first comparison process according to the first comparison process. Depending on the state of the comparison result signal, it is controlled whether or not to write the data corresponding to the second comparison result signal to the memory unit by the second comparison process.
本発明の第2の観点は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶するメモリ部と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素の画素信号を読み出す場合、前記比較器において、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行うことを可能とし、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御し、前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御する。 A second aspect of the present invention includes a pixel unit in which pixels for photoelectric conversion are arranged and a readout unit for reading a pixel signal from the pixel of the pixel unit, and the pixel is photoelectrically converted during the accumulation period. A photoelectric conversion element that stores the charge generated by the above, a transfer element that can transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion element to a transfer period after the storage period, and a charge accumulated in the photoelectric conversion element through the transfer element. Compare the output node to which the output node is transferred, the output buffer unit that converts the charge of the output node into a voltage signal according to the amount of charge, and outputs the converted voltage signal, and the voltage signal and reference voltage by the output buffer unit. A method of driving a solid-state imaging device, comprising: a comparer that performs a comparison process that outputs a digitized comparison result signal, and a memory unit that stores data corresponding to the comparison result signal of the comparer. When reading out the pixel signal of the pixel, in the comparator, under the control of the reading unit, the digitized first voltage signal according to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period. The first comparison process for outputting the comparison result signal of 1 and the digitized second for the voltage signal according to the stored charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. It is possible to perform the second comparison process of outputting the comparison result signal of the above, and the second comparison process of the second comparison process is performed according to the state of the first comparison result signal of the first comparison process. It controls whether or not to write the data according to the comparison result signal of 2 to the memory unit, and controls the access to the memory unit according to the state of the comparison result signal of the comparer.
本発明の第3の観点の電子機器は、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、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶可能なメモリ部と、前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行うことが可能で、前記メモリ制御部は、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御する。 The electronic device according to the third aspect of the present invention includes a solid-state image pickup device and an optical system for forming a subject image on the solid-state image pickup device, and the solid-state image pickup device is provided with pixels for photoelectric conversion. It has a pixel unit and a readout unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit, and the pixel is a photoelectric conversion element that stores the charge generated by photoelectric conversion during the accumulation period, and the photoelectric conversion element. A transfer element capable of transferring the stored charge during the transfer period after the accumulation period, an output node to which the charge accumulated by the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and the charge of the output node as the amount of charge. A comparator that performs comparison processing that compares the output buffer unit that converts to the corresponding voltage signal and outputs the converted voltage signal, the voltage signal by the output buffer unit and the reference voltage, and outputs the digitized comparison result signal. A memory unit that can store data corresponding to the comparison result signal of the comparer, and a memory control unit that controls access to the memory unit according to the state of the comparison result signal of the comparer. Under the control of the readout unit, the comparator outputs a digitized first comparison result signal for the voltage signal according to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the accumulation period. A first comparison process and a second comparison result signal digitized with respect to the voltage signal according to the stored charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period are output. It is possible to perform the comparison process of 2, and the memory control unit performs the second comparison process according to the state of the first comparison result signal by the first comparison process. It controls whether or not to write the data according to the comparison result signal to the memory unit.
本発明によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかもメモリの効率的なアクセスが可能となる。
また、本発明によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、メモリの効率的なアクセスが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
According to the present invention, it is possible to substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, and it is possible to efficiently access the memory.
Further, according to the present invention, it is possible to realize a substantially wide dynamic range and a high frame rate, efficiently access the memory, reduce noise, and maximize the effective pixel area. It can be expanded to the limit and the value per cost can be maximized.
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in association with the drawings.
(第1の実施形態)
図1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、たとえば画素としてデジタル画素(Digital Pixel)を含むCMOSイメージセンサにより構成される。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-
この固体撮像装置10は、図1に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、出力回路40、およびタイミング制御回路50を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、出力回路40、およびタイミング制御回路50により画素信号の読み出し部60が構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-
Among these components, for example, the
本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、画素部20において、デジタル画素として光電変換読み出し部、AD(アナログデジタル)変換部、およびメモリ部を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、後で詳述するように、各デジタル画素DPがAD変換機能を有しており、AD変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器(コンパレータ)を有している。
比較器は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間に光電変換素子から出力ノード(フローティングディフュージョン)に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、蓄積期間後の転送期間に出力ノードに転送された光電変換素子の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行う。
In the first embodiment, the solid-
In the solid-
Under the control of the
さらに、固体撮像装置10は、比較器の比較結果信号の状態(本実施形態ではレベル)に応じてメモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部を有する。
そして、メモリ制御部は、第1の比較処理による第1の比較結果信号の状態に応じて、第2の比較処理による第2の比較結果信号に応じたデータのメモリ部への書き込みを行うか否かを制御する。
具体的には、メモリ制御部は、第1の比較処理期間に、第1の比較処理による第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルから第2のレベルに変化した場合、第2の比較処理による第2の比較結果信号に応じたデータのメモリ部への書き込みを禁止する。
一方、メモリ制御部は、第1の比較処理期間に、第1の比較処理による第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルのまま変化しなかった場合、第2の比較処理による第2の比較結果信号に応じたデータのメモリ部への書き込みを許容する。
Further, the solid-
Then, does the memory control unit write data to the memory unit according to the second comparison result signal by the second comparison process according to the state of the first comparison result signal by the first comparison process? Control whether or not.
Specifically, when the level of the first comparison result signal by the first comparison processing changes from the first level to the second level during the first comparison processing period, the memory control unit receives a second. Writing of the data corresponding to the second comparison result signal by the comparison process to the memory unit is prohibited.
On the other hand, when the level of the first comparison result signal by the first comparison processing does not change at the first level during the first comparison processing period, the memory control unit performs a second comparison processing. Allows writing of data to the memory unit according to the comparison result signal of.
以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要、特に、画素部20およびデジタル画素の構成および機能、それらに関連した読み出し処理、並びに、画素部20と読み出し部60の積層構造等について詳述する。
Hereinafter, the outline of the configuration and function of each part of the solid-
(画素部20およびデジタル画素200の構成)
図2は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の画素の一例を示す回路図である。
(Structure of
FIG. 2 is a diagram showing an example of a digital pixel array of the pixel portion of the solid-
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of pixels of the solid-
画素部20は、図2に示すように、複数のデジタル画素200がN行M列の行列状(マトリクス状)に配列されている。
なお、図2においては、図面の簡単化のため、9つのデジタル画素200が3行3列の行列状(M=3、N=3のマトリクス状)に配置されている例が示されている。
As shown in FIG. 2, the
Note that FIG. 2 shows an example in which nine
本第1の実施形態に係るデジタル画素200は、光電変換読み出し部(図2ではPDと表記)210、AD変換部(図2ではADCと表記)220、メモリ部(図2ではMEMと表記)230、およびメモリ制御部(図2ではMCTと表記)240を含んで構成されている。
本第1の実施形態の画素部20は、後で詳述するように、第1の基板110と第2の基板120の積層型のCMOSイメージセンサとして構成されるが、本例では、図3に示すように、第1の基板110に光電変換読み出し部210が形成され、第2の基板120にAD変換部220、メモリ部230、およびメモリ制御部240が形成されている。
The
As will be described in detail later, the
デジタル画素200の光電変換読み出し部210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んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部210は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードPD1を有する。
このフォトダイオードPD1に対して、転送素子としての転送トランジスタTG1-Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST1-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SF1-Tr、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1-Tr,出力ノードND1としてのフローティングディフュージョンFD1,および読み出しノードND2をそれぞれ一つずつ有する。
このように、第1の実施形態に係るデジタル画素200の光電変換読み出し部210は、転送トランジスタTG1-Tr、リセットトランジスタRST1-Tr、ソースフォロワトランジスタSF1-Tr、およびカレントトランジスタIC1-Trの4トランジスタ(4Tr)を含んで構成されている。
The photoelectric
Specifically, the photoelectric
For this photodiode PD1, a transfer transistor TG1-Tr as a transfer element, a reset transistor RST1-Tr as a reset element, a source follower transistor SF1-Tr as a source follower element, and a current transistor IC1-Tr as a current source element. , It has one floating diffusion FD1 as an output node ND1 and one read node ND2.
As described above, the photoelectric
そして、本第1の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタSF1-Tr、カレントトランジスタIC1-Tr、および読み出しノードND2を含んで出力バッファ部211が構成されている。
In the first embodiment, the
本第1の実施形態に係る光電変換読み出し部210は、出力バッファ部211の読み出しノードND2がAD変換部220の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部210は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号VSLをAD変換部220に出力する。
In the photoelectric
The photoelectric
より具体的には、光電変換読み出し部210は、AD変換部220の第1の比較処理期間PCMP1において、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
More specifically, in the first comparison processing period PCMP1 of the
さらに、光電変換読み出し部210は、AD変換部220の第2の比較処理期間PCMP2において、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の積電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
光電変換読み出し部210は、第2の比較処理期間PCMP2において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)(VRST)および読み出し信号(信号電圧)(VSIG)をAD変換部220に出力する。
Further, the photoelectric
The photoelectric
フォトダイオードPD1は、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
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および転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
The photodiode PD1 generates and accumulates a signal charge (here, an electron) in an amount corresponding to the amount of incident light.
Hereinafter, the case where the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor will be described, but the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
The present embodiment is also effective when each transistor is shared between a plurality of photodiodes and transfer transistors.
各デジタル画素200において、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
In each
Since surface levels due to defects such as dangling bonds exist on the surface of the substrate forming the photodiode (PD), a large amount of electric charge (dark current) is generated by the thermal energy, and the correct signal cannot be read.
In the embedded photodiode (PPD), by embedding the charge storage portion of the photodiode (PD) in the substrate, it is possible to reduce the mixing of dark current into the signal.
光電変換読み出し部210の転送トランジスタTG1-Trは、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FD1の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TGにより制御される。
転送トランジスタTG1-Trは、制御信号TGがハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、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)をフローティングディフュージョンFD1に転送する。
なお、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1が所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタTG1-Trは、制御信号TGがロー(L)レベルの非導通状態となり、フォトダイオードPD1は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタTG1―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD1に溢れ出す。
The transfer transistor TG1-Tr of the photoelectric
In the transfer transistor TG1-Tr, the control signal TG is selected for the high (H) level transfer period PT and becomes conductive, and the charge (electrons) photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
After the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to a predetermined reset potential, the transfer transistor TG1-Tr is in a non-conducting state in which the control signal TG is at the low (L) level, and the photodiode PD1 has a storage period PI. However, at this time, if the intensity (amount) of the incident light is very high, the charge exceeding the saturated charge amount overflows into the floating diffusion FD1 as an overflow charge through the overflow path under the transfer transistor TG1-Tr.
リセットトランジスタRST1-Trは、電源電圧VDDの電源線VddとフローティングディフュージョンFD1の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号RSTにより制御される。
リセットトランジスタRST1-Trは、制御信号RST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FD1を電源電圧VDDの電源線Vddの電位にリセットする。
The reset transistor RST1-Tr is connected between the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD and the floating diffusion FD1 and is controlled by the control signal RST applied to the gate through the control line.
The reset transistor RST1-Tr is selected for the control signal RST during the H level reset period to be in a conductive state, and resets the floating diffusion FD1 to the potential of the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD.
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SF1-Trは、ソースが読み出しノードND2に接続され、ドレイン側が電源線Vddに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンFD1に接続されている。
読み出しノードND2と基準電位VSS(たとえばGND)の間に電流源素子としてのカレントトランジスタIC1-Trのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタIC1-Trのゲートは制御信号VBNPIXの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードND2とAD変換部220の入力部間の信号線LSGN1は、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1-Trにより駆動される。
In the source follower transistor SF1-Tr as the source follower element, the source is connected to the read node ND2, the drain side is connected to the power supply line Vdd, and the gate is connected to the floating diffusion FD1.
The drain and source of the current transistor IC1-Tr as a current source element are connected between the read node ND2 and the reference potential VSS (for example, GND). The gate of the current transistor IC1-Tr is connected to the supply line of the control signal VBNPIX.
Then, the signal line LSGN1 between the read node ND2 and the input unit of the
図4(A)および(B)は、本発明の第1の実施形態に係るデジタル画素の主要部である電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図およびオーバーフロー時のポテンシャル図である。 4 (A) and 4 (B) are a simplified cross-sectional view showing a configuration example of a charge storage transfer system which is a main part of a digital pixel according to the first embodiment of the present invention, and a potential diagram at the time of overflow.
各デジタル画素セルPXLCは、光Lが照射される第1基板面1101側(たとえば裏面側)と、この第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する基板(本例では第1の基板110)に形成され、分離層SPLにより分離されている。
そして、図4のデジタル画素セルPXLCは、光電変換読み出し部210を形成するフォトダイオードPD1、転送トランジスタTG1-Tr、フローティングディフュージョンFD1、リセットトランジスタRST1-Tr、分離層SPL、さらには図示しないカラーフィルタ部およびマイクロレンズを含んで構成されている。
Each digital pixel cell PXLC has a substrate having a
The digital pixel cell PXL C in FIG. 4 includes a photodiode PD1 forming a photoelectric
(フォトダイオードの構成)
フォトダイオードPD1は、第1基板面1101側と、第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する半導体基板に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)2101を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
フォトダイオードPD1の基板の法線に直交する方向(X方向)における側部には第2の導電型(本実施形態ではp型)分離層SPLが形成されている。
(Polydiode configuration)
The photodiode PD1 is a first conductive type (this) formed so as to be embedded in a semiconductor substrate having a
A second conductive type (p type in this embodiment) separation layer SPL is formed on a side portion of the photodiode PD1 in a direction (X direction) orthogonal to the normal of the substrate.
このように、本実施形態では、各デジタル画素セルPXLCにおいて、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the embedded photodiode (PPD) is used as the photodiode (PD) in each digital pixel cell PXLC.
Since surface levels due to defects such as dangling bonds exist on the surface of the substrate forming the photodiode (PD), a large amount of electric charge (dark current) is generated by the thermal energy, and the correct signal cannot be read.
In the embedded photodiode (PPD), by embedding the charge storage portion of the photodiode (PD) in the substrate, it is possible to reduce the mixing of dark current into the signal.
図4のフォトダイオードPD1においては、n層(第1導電型半導体層)2101が、基板110の法線方向(図中の直交座標系のZ方向)に2層構造を持つように構成されている。
本例では、第1基板面1101側にn-層2102が形成され、このn-層2102の第2基板面1102側にn層2103が形成され、このn-層2103の第2基板面1102側にp+層2104およびp層2105が形成されている。
また、n-層2102の第1基板面1101側にp+層2106が形成されている。
p+層2106は、フォトダイオードPD1のみならず分離層SPL、さらには他のデジタル画素セルPXLCにわたって一様に形成されている。
In the photodiode PD1 of FIG. 4, the n-layer (first conductive semiconductor layer) 2101 is configured to have a two-layer structure in the normal direction of the substrate 110 (Z direction of the Cartesian coordinate system in the figure). There is.
In this example, the n-
Further, the p +
The p +
なお、このP+層2106の光入射側には、カラーフィルタ部が形成され、さらに、カラーフィルタ部の光入射射側であって、フォトダイオードPD1および分離層SPLの一部に対応するようにマイクロレンズが形成されている。
A color filter portion is formed on the light incident side of the P +
これらの構成は一例であり、単層構造であってもよく、また、3層、4層以上の積層構造であってもよい。 These configurations are examples, and may be a single-layer structure, or may be a laminated structure of three layers, four layers or more.
(X方向(列方向)における分離層の構成)
図4のX方向(列方向)におけるp型分離層SPLにおいては、フォトダイオードPD1のn-層2102と接する側であって基板の法線に直交する方向(図中の直交座標系のX方向)の右側部に、第1のp層(第2導電型半導体層)2107が形成されている。
さらに、p型分離層SPLにおいては、第1のp層2107のX方向の右側に、第2のp層(第2導電型半導体層)2108が、基板110の法線方向(図中の直交座標系のZ方向)に2層構造を持つように構成されている。
本例では、第2のp層2108において、第1基板面1101側にp-層2109が形成され、このp-層2109の第2基板面1102側にp層2110が形成されている。
(Structure of separation layer in X direction (column direction))
In the p-type separation layer SPL in the X direction (column direction) of FIG. 4, the direction on the side in contact with the n-
Further, in the p-type separation layer SPL, the second p-layer (second conductive semiconductor layer) 2108 is located on the right side of the first p-
In this example, in the second p-
これらの構成は一例であり、単層構造であってもよく、また、3層、4層以上の積層構造であってもよい。 These configurations are examples, and may be a single-layer structure, or may be a laminated structure of three layers, four layers or more.
p型分離層SPLの第1のp層2107および第2のp-層2109の第1の基板面1101側にはフォトダイオード2110と同様のp+層2106が形成されている。
A p +
p型分離層SPLの第1のp層2107の第2の基板面1102側の一部にかかりオーバーフローパスOVPが形成されるように、n層2103が延長するように形成されている。
そして、n層2103の第2基板面1102側のp層2105上に、ゲート絶縁膜を介して転送トランジスタTG1-Trのゲート電極2111が形成されている。
さらに、p型分離層SPLの第1のp層2107の第2の基板面1102側にはフローティングディフュージョンFD1となるn+層2112が形成され、n+層2112に隣接してリセットトランジスタRST1-Trのチャネル形成領域となるp層2113、p層2113に隣接してn+層2114が形成されている。
そして、p層2113上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極2115が形成されている。
The n-
Then, the
Further, an n +
Then, a
このような構造において、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタTG1―Tr下のオーバーフローパスOVPを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD1に溢れ出す。 In such a structure, when the intensity (amount) of the incident light is very high, the charge exceeding the saturated charge amount overflows to the floating diffusion FD1 as an overflow charge through the overflow path OVP under the transfer transistor TG1-Tr.
デジタル画素200のAD変換部220は、光電変換読み出し部210により出力されるアナログの電圧信号VSLを、所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形または固定電圧の参照電圧VREFと比較して、デジタル信号に変換する機能を有する。
The
AD変換部220は、図3に示すように、比較器(COMP)221、カウンタ(CNT)222、入力側結合キャパシタC221、出力側の負荷キャパシタC222、およびリセットスイッチSW-RSTを含んで構成されている。
As shown in FIG. 3, the
比較器221は、第1の入力端子としての反転入力端子(-)に、光電変換読み出し部210の出力バッファ部211から信号線LSGN1に出力された電圧信号VSLが供給され、第2の入力端子としての非反転入力端子(+)に参照電圧VREFが供給され、電圧信号VSTと参照電圧VREFとを比較し、デジタル化した比較結果信号SCMPを出力する比較処理を行う.
In the
比較器221は、第1の入力端子としての反転入力端子(-)に結合キャパシタC221が接続されており、第1の基板110側の光電変換読み出し部210の出力バッファ部211と第2の基板1120側のAD変換部220の比較器221の入力部をAC結合することにより、低ノイズ化を図り、低照度時に高SNRを実現可能なように構成されている。
In the
また、比較器221は、出力端子と第1の入力端子としての反転入力端子(-)との間にリセットスイッチSW-RSTが接続され、出力端子と基準電位VSSとの間に負荷キャパシタC222が接続されている。
Further, in the
基本的に、AD変換部220においては、光電変換読み出し部210の出力バッファ部211から信号線LSGN1に読み出されたアナログ信号(電位VSL)は比較器221で参照電圧VREF、たとえばある傾きを持った線形に変化するスロープ波形であるランプ信号RAMPと比較される。
このとき、比較器221と同様に列毎に配置されたカウンタ222が動作しており、ランプ波形のあるランプ信号RAMPとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号VSLをデジタル信号に変換する。
基本的に、AD変換部220は、参照電圧VREF(たとえばランプ信号RAMP)の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号VSLとランプ信号RAMP(参照電圧VREF)が交わったとき、比較器221の出力が反転し、カウンタ222の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタ222に入力し、そのときのカウンタ222の値(データ)がメモリ部230に記憶されてAD変換を完了させる。
以上のAD変換期間終了後、各デジタル画素200のメモリ部230に格納されたデータ(信号)は出力回路40から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により2次元画像が生成される。
Basically, in the
At this time, the
Basically, the
Then, when the analog signal VSL and the lamp signal RAMP (reference voltage VREF) intersect, the output of the
After the end of the above AD conversion period, the data (signal) stored in the
(比較器221のおける第1の比較処理および第2の比較処理)
そして、本第1の実施形態のAD変換部220の比較器221は、画素信号の読み出し期間に次の2つの第1の比較処理および第2の比較処理を行うように、読み出し部60により駆動制御される。
(First comparison process and second comparison process in the comparator 221)
Then, the
第1の比較処理CMPR1において、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する。
なお、この第1の比較処理CMPR1の動作を、タイムスタンプADCモードの動作ともいう。
In the first comparison processing CMPR1, the
The operation of the first comparison process CMPR1 is also referred to as an operation of the time stamp ADC mode.
第2の比較処理CMPR2において、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する。
実際には、第2の比較処理CMPR2において、蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化の前に、リセット時のフローティングディフュージョンFD1のリセット電圧に応じた電圧信号VSL2(VRRT)に対するデジタル化を行う。
なお、この第2の比較処理CMPR2の動作を、リニアADCモードの動作ともいう。
In the second comparison process CMPR2, the
Actually, in the second comparison processing CMPR2, before the digitization of the voltage signal VSL2 (VSIG) according to the accumulated charge, the digital of the voltage signal VSL2 (VRRT) corresponding to the reset voltage of the floating diffusion FD1 at the time of reset is performed. To be reset.
The operation of the second comparison process CMPR2 is also referred to as an operation of the linear ADC mode.
なお、本実施形態において、基本的に、蓄積期間PIは、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送トランジスタTG1-Trが導通状態に切り替えられて転送期間PTが開始されるまでの期間である。
第1の比較処理CMPR1の期間PCMPR1は、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送期間PTが開始される前に、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされるまでの期間である。
第2の比較処理CMPR2の期間PCMPR2は、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされた後の期間であって、転送期間PT後の期間を含む期間である。
In the present embodiment, basically, in the accumulation period PI, after the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level, the transfer transistor TG1-Tr is switched to the conduction state and the transfer period PT is started. It is a period until it is reset.
The period PCMPR1 of the first comparison process CMPR1 is the period from when the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level until the floating diffusion FD1 is reset to the reset level before the transfer period PT is started. Is.
The period PCMPR2 of the second comparison process CMPR2 is a period after the floating diffusion FD1 is reset to the reset level, and is a period including a period after the transfer period PT.
ここで、第1の比較処理CMPR1についてさらに詳述する。
図5は、本実施形態に係る比較器221の第1の比較処理CMPR1を説明するための図である。
図5において、横軸が時間を示し、縦軸が出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1の電圧レベルVFDを示している。
Here, the first comparative processing CMPR1 will be described in more detail.
FIG. 5 is a diagram for explaining the first comparison processing CMPR1 of the
In FIG. 5, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the voltage level VFD of the floating diffusion FD1 which is an output node.
フローティングディフュージョンFD1の電圧レベルVFDは、リセットレベルのときが電荷量が最も少なく電圧レベルVFDは最も高いレベルVFDiniとなる。
一方、飽和状態のときが電荷量が多く、電圧レベルVFDは低いレベルVFDsatとなる。
このような条件に従って、比較器221の参照電圧VREF1を、飽和状態となる手前の非飽和状態時のレベルに固定した電圧VREFsatに設定する、あるいはリセットレベル時の電圧レベルVREFrstから電圧レベルVREFsatに至るランプ電圧VREFrampに設定する。
The voltage level VFD of the floating diffusion FD1 has the smallest charge amount at the reset level, and the voltage level VFD has the highest level VFDini.
On the other hand, in the saturated state, the amount of charge is large, and the voltage level VFD becomes a low level VFD sat.
According to such a condition, the reference voltage VREF1 of the
第1の比較処理CMPR1のときに、このような参照電圧VREF1がVREFsatまたはVREFrampに設定されると、図5に示すように、入射光の強度が高い高照度のときほど電荷量が多いため比較器221の出力がフリップ(反転)する時間が速い。
最も高い照度の例EXP1の場合には、比較器221の出力が時刻t1に第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に直ちにフリップ(反転)する。
例EXP1より低い照度の例EXP2の場合には、比較器221の出力が時刻t1より遅い時刻t2に第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)にフリップ(反転)する。
例EXP2より低い照度の例EXP3の場合には、比較器221の出力が時刻t2より遅い時刻t3に第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)にフリップ(反転)する。
When such a reference voltage VREF1 is set to VREFat or VREFramp in the first comparison process CMPR1, as shown in FIG. 5, the charge amount is larger when the intensity of the incident light is higher and the illuminance is higher. The time for the output of the
Example of the highest illuminance In the case of EXP1, the output of the
Example Example of illuminance lower than EXP1 In the case of EXP2, the output of the
Example Example of illuminance lower than EXP2 In the case of EXP3, the output of the
このように、比較器221は、第1の比較処理CMPR1において、蓄積期間PIの所定期間にフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1へのオーバーフロー電荷の量に応じた時間に対応する第1の比較結果信号SCMP1を出力する。
As described above, in the first comparison processing CMPR1, the
より具体的には、比較器221は、第1の比較処理CMPR1において、オーバーフロー電荷がフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1に溢れ始める最大サンプリング時間におけるフォトダイオードPD1の所定の閾値に対応した信号レベルから最小サンプリング時間で得られる信号レベルまでの光レベルとの比較処理に対応可能である。
More specifically, the
上述したように、タイムスタンプADCモードにおける光変換動作(Photo conversion operation)は、蓄積期間PIにおいて、光―時間変換(Light to time conversion)を伴って実行される。
図5に示すように、非常に明るい光の下では、リセット活性化期間の直後に比較器221の出力状態が第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に反転され、その光レベルは、以下の時間で説明される飽和信号(ウェル容量)に対応する。
As described above, the photo conversion operation in the time stamp ADC mode is performed with the light to time conversion in the storage period PI.
As shown in FIG. 5, under very bright light, the output state of the
((FD飽和量×蓄積時間)/サンプリング期間)+PD飽和量
たとえば、FD飽和:8Ke @ 150uV / e~FD容量の1.1fF、最小サンプリング時間:15nsec、蓄積時間:3msec:
であると仮定する。
((FD saturation amount x accumulation time) / sampling period) + PD saturation amount For example, FD saturation: 8Ke @ 150uV / e to FD capacity 1.1fF, minimum sampling time: 15nsec, accumulation time: 3msec:
Suppose that.
このタイムスタンプADC動作モードでは、上述したように、オーバーフロー電荷がフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1に溢れ始める最大サンプリング時間におけるフォトダイオードPD1の所定の閾値に対応した信号レベルから最小サンプリング時間で得られる信号レベルまでの光レベルをカバーすることができる。 In this time stamp ADC operation mode, as described above, the minimum sampling time from the signal level corresponding to the predetermined threshold value of the photodiode PD1 at the maximum sampling time at which the overflow charge starts to overflow from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 which is the output node. It is possible to cover the optical level up to the signal level obtained in.
図6は、本実施形態に係る比較器221の第1の比較処理CMPR1を説明するための図であって、参照電圧の他のパターン例を説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining the first comparison processing CMPR1 of the
参照電圧VREFは、図6中に(1)で示す所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形(信号)RAMPまたは図6中に(2)で示す固定電圧DCであってもよく、また、図6中に(3)で示すログ(log)や図6中に(4)で示す指数関数的な値をとる電圧信号あってもよい。 The reference voltage VREF may be a lamp waveform (signal) RAMP changed with a predetermined slope shown in FIG. 6 in FIG. 6 or a fixed voltage DC shown in FIG. 6 in (2). , The log (log) shown in (3) in FIG. 6 and the voltage signal having an exponential value shown in (4) in FIG. 6 may be present.
図7は、本実施形態に係る比較器に種々の参照電圧VREFを入力した場合の光時間変換の状態を示す図である。
図7において,横軸がサンプリング時間を示し、縦軸がオーバーフロー信号における推定信号を示している。なお、ここでのオーバーフロー信号とは、転送トランジスタTG1-Trを導通状態にしてフォトダイオードPD1に電荷をためない条件(非オーバーフロー)にして見積もったものである。
FIG. 7 is a diagram showing a state of optical time conversion when various reference voltages VREF are input to the comparator according to the present embodiment.
In FIG. 7, the horizontal axis shows the sampling time, and the vertical axis shows the estimated signal in the overflow signal. The overflow signal here is estimated under the condition that the transfer transistor TG1-Tr is in a conductive state and the photodiode PD1 is not charged (non-overflow).
図7は、適用される光の性質(適性)によるオーバーフロー電荷(信号)に対応する比較器221が反転するサンプリング時間を示している。
図7においては、さまざまな固定基準電圧DC1、DC2、DC3とランプ基準電圧VRAMPに対して反転するサンプリング時間を示している。ここでは、線形基準ランプが使用されている。
FIG. 7 shows the sampling time in which the
FIG. 7 shows various fixed reference voltages DC1, DC2, DC3 and sampling times that are inverted with respect to the lamp reference voltage VRAMP. Here, a linear reference lamp is used.
以上の飽和したオーバーフロー電荷に対する第1の比較処理CMPR1を行うタイムスタンプADCモードの動作が終了すると、フローティングディフュージョンFD1と比較器221をリセットした後に、非飽和電荷に対する第2の比較処理CMPR2を行うリニアADCモードの動作に移行する。
When the operation of the time stamp ADC mode for performing the first comparison process CMPR1 for the saturated overflow charge is completed, the floating diffusion FD1 and the
図8は、本発明の第1の実施形態に係るデジタル画素における光応答カバレッジを示す図である。
図8において、AがタイムスタンプADCモード動作による信号を示し、BがリニアADCモード動作による信号を示している。
FIG. 8 is a diagram showing optical response coverage in a digital pixel according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 8, A shows a signal by the time stamp ADC mode operation, and B shows a signal by the linear ADC mode operation.
タイムスタンプADCモードは,非常に明るい光に対する光応答を有することができることから、リニアADCモードは暗いレベルからの光応答を有することができる。たとえば、120dBのダイナミックレンジ性能を実現することができる。
たとえば、上述したように、光変換範囲の飽和信号は900Keに相当する。
リニアADCモードは、ADCを適用した通常の読み出しモード動作のため、2eのノイズレベルから8KeのフォトダイオードPD1とフローティングディフュージョンFD1の飽和までカバーすることがでる。
リニアADCモードのカバレッジは、追加のスイッチと容量で30Keに拡張することができる。
Since the time stamp ADC mode can have an optical response to very bright light, the linear ADC mode can have an optical response from a dark level. For example, a dynamic range performance of 120 dB can be realized.
For example, as described above, the saturation signal in the optical conversion range corresponds to 900 Ke.
Since the linear ADC mode operates in the normal read mode to which the ADC is applied, it can cover from the noise level of 2e to the saturation of the photodiode PD1 of 8 Ke and the floating diffusion FD1.
The coverage of the linear ADC mode can be extended to 30 Ke with additional switches and capacities.
図9は、本発明の第1の実施形態に係るメモリ部および出力回路の構成例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a memory unit and an output circuit according to the first embodiment of the present invention.
比較器221において、第1の比較処理CMPR1によりフローティングディフュージョンFD1のオーバーフロー電荷に応じた電圧信号がデジタル化された第1の比較結果信号SCMP1、および、第2の比較処理CMPR2によりフォトダイオードPD1の蓄積電荷がデジタル化された第2の比較結果信号SCMP2は、関連付けられてnビットメモリ231にデジタルデータとして記憶される。
メモリ部230のnビットのデータをサンプルホールド可能なメモリ231は、SRAMやDRAM等により構成され、たとえばデジタル変換された信号が供給され、フォトコンバージョン符号に対応し、画素アレイ周辺の出力回路40の外部IOバッファ41により読み出すことができる。
In the
The
メモリ231は、比較器221の比較結果信号の状態(本実施形態ではレベル)に応じてメモリ制御部240の出力信号Bによりアクセス、具体的は、書き込み(オーバーライト)を行うか否かが制御される。
メモリ231は、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1に応じた信号Bが第1のレベル(ローレベル)で供給されると書き込み(オーバーライト)が禁止され、第2のレベル(ハイレベル)で供給されると書き込み(オーバーライト)が許容される。
The
When the signal B corresponding to the first comparison result signal SCMP1 by the first comparison processing CMPR1 is supplied to the
図10は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10におけるフレーム読み出しシーケンスの一例を示す図である。
ここで、固体撮像装置10におけるフレーム読み出し方式の一例について説明する。
図10において、TSはタイムスタンプADCの処理期間を示し、LinはリニアADCの処理期間を示している。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a frame readout sequence in the solid-
Here, an example of the frame readout method in the solid-
In FIG. 10, TS indicates the processing period of the time stamp ADC, and Lin indicates the processing period of the linear ADC.
上述したように、オーバーフロー電荷は蓄積期間PI中にフローティングディフュージョンFD1に蓄積される。タイムスタンプADCモードは蓄積時間PI中に動作する。
実際には、タイムスタンプADCモードは、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間に動作する。
タイムスタンプADCモードの動作が終了すると、リニアADCモードに遷移し、フローティングディフュージョンFD1のリセット時の信号(VRST)を読み出してデジタル信号をメモリ部230に格納するように変換する。
さらに蓄積期間PIの終了後、リニアADCモードではフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた信号(VSIG)を読み取ってデジタル信号をメモリ部230に格納するように変換する。
読み出されたフレームは、メモリノードからのデジタル信号データの読み出しによって実行され、そのようなMIPIデータフォーマットを有する、たとえば出力回路40のIOバッファ41(図9)を介して固体撮像装置10(イメージセンサ)の外部に送られる。この動作は、全画素(ピクセル)アレイに対してグローバルに実行することができる。
As mentioned above, the overflow charge is accumulated in the floating diffusion FD1 during the accumulation period PI. The time stamp ADC mode operates during the accumulation time PI.
In practice, the time stamp ADC mode operates during the accumulation period PI until the floating diffusion FD1 is reset.
When the operation of the time stamp ADC mode is completed, the mode shifts to the linear ADC mode, the signal (VRST) at the time of resetting the floating diffusion FD1 is read, and the digital signal is converted to be stored in the
Further, after the end of the storage period PI, in the linear ADC mode, the signal (VSIG) corresponding to the stored charge of the photodiode PD1 is read and converted so that the digital signal is stored in the
The read frame is executed by reading digital signal data from the memory node and has such a MIMO data format, eg, through the IO buffer 41 (FIG. 9) of the
また、画素部20において、全画素同時にリセットトランジスタRST1-Trと転送トランジスタTG1-Trを使ってフォトダイオードPD1をリセットすることで、全画素同時並列的に露光を開始する。また、所定の露光期間(蓄積期間PI)が終了した後、転送トランジスタTG1-Trを使って光電変換読み出し部からの出力信号をAD変換部220、メモリ部230でサンプリングすることで、全画素同時並列的に露光を終了する。これにより、完全なシャッタ動作を電子的に実現する。
Further, in the
(メモリ制御部240の構成および機能)
本実施形態の固体撮像装置10は、さらに、比較器221の比較結果信号の状態(本実施形態ではレベル)に応じてメモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部240を有する。
メモリ制御部240は、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1の状態(出力レベル)に応じて、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを行うか否かを制御する。
具体的には、メモリ制御部240は、第1の比較処理期間PSMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化した場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを禁止する。
一方、メモリ制御部240は、第1の比較処理期間CMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)のまま変化しなかった場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを許容する。
(Configuration and function of memory control unit 240)
The solid-
The
Specifically, in the
On the other hand, when the
メモリ制御部240を設けた理由を以下に述べる。
タイムスタンプADCモード時において、第1の比較処理期間PSMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化したということは、次のことを意味する。
すなわち、この場合、非常に(極めて)高照度(明るい)の光がフォトダイオードPD1に照射され、光電変換された電荷がフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1にオーバーフロー電荷として溢れ出していることから、後続のリニアADCモードの読み出し信号は必要ないことを意味する。
そこで、この場合、メモリ制御部240は、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込み(オーバーライト)を禁止する。
The reason for providing the
In the time stamp ADC mode, during the first comparison processing period PSMPR1, the level of the first comparison result signal SCMP1 by the first comparison processing CMPR1 changes from the first level (for example, low level) to the second level (high level). ) Means the following.
That is, in this case, very (extremely) high illuminance (bright) light is applied to the photodiode PD1, and the photoelectrically converted charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 as an overflow charge. It means that the read signal of the linear ADC mode of is not necessary.
Therefore, in this case, the
一方、タイムスタンプADCモード時において、第1の比較処理期間PSMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化していなということは、次のことを意味する。
すなわち、この場合、暗くて低照度から中間の明るさの通常の照度の光がフォトダイオードPD1に照射され、光電変換された電荷がフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1にオーバーフロー電荷として溢れ出す確率は極めて低いことから、後続のリニアADCモードの読み出し信号は必要である意味する。
そこで、この場合、メモリ制御部240は、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込み(オーバーライト)を許容する。
On the other hand, in the time stamp ADC mode, during the first comparison processing period PSMPR1, the level of the first comparison result signal SCMP1 by the first comparison processing CMPR1 changes from the first level (for example, low level) to the second level (for example, low level). Not changing to high level) means the following.
That is, in this case, there is an extremely high probability that the photodiode PD1 is irradiated with light having a normal illuminance of dark to medium brightness, and the photoelectrically converted charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 as overflow charge. The low value means that a subsequent linear ADC mode read signal is necessary.
Therefore, in this case, the
図11は、本発明の第1の実施形態に係るメモリ制御部240の構成例を説明するための図である。
図12は、タイムスタンプADCモード時に比較器の出力が反転した場合のメモリ制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図13は、タイムスタンプADCモード時に比較器の出力が反転しなかった場合のメモリ制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
FIG. 11 is a diagram for explaining a configuration example of the
FIG. 12 is a timing chart for explaining the operation of the memory control unit when the output of the comparator is inverted in the time stamp ADC mode.
FIG. 13 is a timing chart for explaining the operation of the memory control unit when the output of the comparator is not inverted in the time stamp ADC mode.
図11のメモリ制御部240は、フラグビットメモリセル(Flag)241およびゲート回路としてNOR回路242を含んで構成されている。
The
フラグビットメモリセル241は、フラグサンプリング信号FLG SAMP、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1が供給される。
フラグビットメモリセル241は、第1の比較処理期間PCMPR1の終了後にフラグサンプリング信号FLG SAMPが供給されたときに、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化していると、信号Aを第2のレベル(ハイレベル)に設定してNOR回路242に出力する。
フラグビットメモリセル241は、第1の比較処理期間PCMPR1の終了後にフラグサンプリング信号FLG SAMPが供給されたときに、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化していない、信号Aを第1のレベル(ローレベル)に設定してNOR回路242に出力する。
The flag
The flag
The flag
NOR回路242は、フラグビットメモリセル241の出力信号Aおよび第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1が供給される。
NOR回路242は、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化している状態で、信号Aを第2のレベル(ハイレベル)で入力すると、信号Bを第1のレベル(ローレベル)に設定してメモリ部230に出力して、書き込み(オーバーライト)を禁止する。
NOR回路242は、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化していない状態で、信号Aを第1のレベル(ローレベル)で入力すると、信号Bを第2のレベル(ハイレベル)に設定してメモリ部230に出力して、書き込み(オーバーライト)を許容する。
The NOR
The NOR
The NOR
フラグビットメモリセル241は、ADCメモリ231の一部であることから、レイアウト状のオーバーヘッドがなく、面積効率が良い。
また、NOR回路242は、最小サイズで4トランジスタ(4T)で構成可能であることから、面積上のオーバーヘッドは最小限で済む。
そして、本メモリ制御部240を設けることにより、2段階の比較処理を行うにもかかわらず、ADCメモリは一つで済む。
Since the flag
Further, since the NOR
By providing the
メモリ制御部240において、図12に示すように、第1の比較処理期間PCMPR1の終了後にフラグサンプリング信号FLG SAMPが供給されたときに、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化していると、フラグビットメモリセル241の出力信号Aが第2のレベル(ハイレベル)でNOR回路242に入力される。これに応じてNOR回路242から信号Bが第1のレベル(ローレベル)に設定されてメモリ部230に出力され、書き込み(オーバーライト)が禁止される。
In the
メモリ制御部240において、図13に示すように、第1の比較処理期間PCMPR1の終了後にフラグサンプリング信号FLG SAMPが供給されたときに、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)のままで変化していないと、フラグビットメモリセル241の出力信号Aが第1のレベル(ローレベル)でNOR回路242に入力される。これに応じてNOR回路御242から信号Bが第2のレベル(ハイローレベル)に設定されてメモリ部230に出力され、書き込み(オーバーライト)が許容される。
In the
なお、フラグビットメモリセル241およびNOR回路242は、リニアADCモードの第2の比較処理期間PCMPR2の終了後に、クリア信号FLG CLRにより職状態にクリアされる。
The flag
垂直走査回路30は、タイミング制御回路50の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通してデジタル画素200の光電変換読み出し部210の駆動を行う。
垂直走査回路30は、タイミング制御回路50の制御に応じて、各デジタル画素200の比較器221に対して、第1の比較処理CMPR1、第2の比較処理CMPR2に準じて設定される参照電圧VREF1,VREF2を供給する。
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。
The
The
Further, the
出力回路40は、たとえば図9に示すように、画素部20の各デジタル画素200のメモリ出力に対応して配置されたIOバッファ41を含み、各デジタル画素200から読み出されるデジタルデータを外部に出力する。
As shown in FIG. 9, the
タイミング制御回路50は、画素部20、垂直走査回路30、出力回路40等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
The
本第1の実施形態において、読み出し部60は、たとえばグローバルシャッタモード時に、デジタル画素200からの画素信号の読み出し制御を行う。
In the first embodiment, the
(固体撮像装置10の積層構造)
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。
(Laminate structure of solid-state image sensor 10)
Next, the laminated structure of the solid-state
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10の積層構造について説明するための模式図である。
図15は、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ための簡略断面図である。
14 (A) and 14 (B) are schematic views for explaining the laminated structure of the solid-state
FIG. 15 is a simplified cross-sectional view for explaining the laminated structure of the solid-
本第1の実施形態に係る固体撮像装置10は、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
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1の基板110と第2の基板120が積層された構造を有する。
The solid-
The solid-state
In this example, it has a structure in which the
第1の基板110には、その中央部を中心として画素部20の各デジタル画素200の光電変換読み出し部210が形成されている。
第1の基板110の光Lが入射側である第1面111側にフォトダイオードPDが形成され、その光入射側にマイクロレンズMCLやカラーフィルタが形成されている。
第1の基板110の第2面側に転送トランジスタTG1-Tr,リセットトランジスタRST1-Tr,ソースフォロワトランジスタSF1-Tr,カレントトランジスタIC1-Trが形成されている
The
A photodiode PD is formed on the
A transfer transistor TG1-Tr, a reset transistor RST1-Tr, a source follower transistor SF1-Tr, and a current transistor IC1-Tr are formed on the second surface side of the
このように、本第1の実施形態においては、第1の基板110には、基本的に、デジタル画素200の光電変換読み出し部210が行列状に形成されている。
As described above, in the first embodiment, the photoelectric
第2の基板120には、各デジタル画素200のAD変換部220、メモリ部230、メモリ制御部240がマトリクス状に形成されている。
また、第2の基板120には、垂直走査回路30、出力回路40、およびタイミング制御回路50も形成されてもよい。
The
Further, the
このような積層構造において、第1の基板110の各光電変換読み出し部210の読み出しノードND2と第2の基板120の各デジタル画素200の比較器221の反転入力端子(-)とが、たとえば図3に示すように、それぞれ信号線LSGN1、マイクロバンプBMPやビア(Die-to-Die Via)等を用いて電気的な接続が行われている。
また、本実施形態においては第1の基板110の各光電変換読み出し部210の読み出しノードND2と第2の基板120の各デジタル画素200の比較器221の反転入力端子(-)とが、結合キャパシタC221によりAC結合されている。
In such a laminated structure, for example, the readout node ND2 of each photoelectric
Further, in the present embodiment, the readout node ND2 of each photoelectric
(固体撮像装置10の読み出し動作)
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のデジタル画素200の画素信号の読み出し動作等について詳述する。
(Reading operation of the solid-state image sensor 10)
The characteristic configurations and functions of each part of the solid-
Next, the operation of reading out the pixel signal of the
図16は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の所定シャッタモード時の主として画素部における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
図17(A)~(D)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の所定シャッタモード時の主として画素部における読み出し動作を説明するための動作シーケンスおよびポテンシャル遷移を示す図である。
FIG. 16 is a timing chart for explaining a readout operation mainly in the pixel portion in a predetermined shutter mode of the solid-state image sensor according to the first embodiment.
17 (A) to 17 (D) are diagrams showing an operation sequence and potential transition for explaining a readout operation mainly in a pixel portion in a predetermined shutter mode of the solid-state image sensor according to the first embodiment.
まず、読み出し動作を開始するに当たって、図16および図17(A)に示すように、各デジタル画素200のフォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1をリセットするグローバルリセットが行われる。
グローバルリセットにおいては、全画素同時にリセットトランジスタRST1-Trと転送トランジスタTG1-Trが所定期間導通状態に保持されて、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットされる。そして、全画素同時にリセットトランジスタRST1-Trと転送トランジスタTG1-Trが非導通状態に切り替えられて、全画素同時並列的に露光、すなわち電荷の蓄積が開始される。
First, at the start of the read operation, as shown in FIGS. 16 and 17A, a global reset is performed to reset the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 of each
In the global reset, the reset transistor RST1-Tr and the transfer transistor TG1-Tr are held in a conductive state for a predetermined period at the same time for all pixels, and the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset. Then, the reset transistor RST1-Tr and the transfer transistor TG1-Tr are switched to the non-conducting state at the same time for all the pixels, and the exposure, that is, the accumulation of electric charge is started in parallel for all the pixels.
そして、図16および図17(B)に示すように、オーバーフロー電荷に対するタイムスタンプ(TS)ADCモードの動作が開始される。
オーバーフロー電荷は蓄積期間PI中にフローティングディフュージョンFD1に蓄積される。タイムスタンプADCモードは蓄積時間PI中、具体的には、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間に動作する。
Then, as shown in FIGS. 16 and 17 (B), the operation of the time stamp (TS) ADC mode for the overflow charge is started.
The overflow charge is accumulated in the floating diffusion FD1 during the accumulation period PI. The time stamp ADC mode operates during the accumulation time PI, specifically, during the accumulation period PI, until the floating diffusion FD1 is reset.
タイムスタンプ(TS)ADCモードにおいては、光電変換読み出し部210において、AD変換部220の第1の比較処理期間PCMP1に対応して、蓄積期間PIにフォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1が出力される。
そして、AD変換部220の比較器221において、第1の比較処理CMPR1が行われる。比較器221では、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間にフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1が出力され、第1の比較結果信号SCMP1に応じたデジタルデータがメモリ部230のメモリ231に格納される。
In the time stamp (TS) ADC mode, in the photoelectric
Then, in the
次に、図16および図17(C)に示すように、オーバーフロー電荷に対するタイムスタンプ(TS)ADCモードの動作が終了し、リニアADCモードに遷移し、フローティングディフュージョンFD1のリセット期間PR2に移行する。
リセット期間PR2においては、リセットトランジスタRST1-Trが所定期間導通状態に保持されて、フローティングディフュージョンFD1がリセットされる。フローティングディフュージョンFD1のリセット時の信号(VRST)を読み出してデジタル信号がメモリ部230のメモリ232に格納される。
そして、リセットトランジスタRST1-Trが非導通状態に切り替えられる。この場合、蓄積期間PIは継続される。
Next, as shown in FIGS. 16 and 17 (C), the operation of the time stamp (TS) ADC mode for the overflow charge is terminated, the mode is changed to the linear ADC mode, and the reset period PR2 of the floating diffusion FD1 is started.
In the reset period PR2, the reset transistor RST1-Tr is held in the conduction state for a predetermined period, and the floating diffusion FD1 is reset. The signal (VRST) at the time of resetting the floating diffusion FD1 is read out, and the digital signal is stored in the memory 232 of the
Then, the reset transistor RST1-Tr is switched to the non-conducting state. In this case, the accumulation period PI is continued.
次に、図16および図17(D)に示すように、蓄積期間PIが終了し、転送期間PTに移行する。
転送期間PTにおいては、転送トランジスタTG1-Trが所定期間導通状態に保持されて、フォトダイオードPD1の蓄積電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。
Next, as shown in FIGS. 16 and 17 (D), the accumulation period PI ends, and the transfer period PT is entered.
In the transfer period PT, the transfer transistors TG1-Tr are held in a conductive state for a predetermined period, and the accumulated charge of the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
リニア(Lin)ADCモードにおいては、光電変換読み出し部210において、AD変換部220の第2の比較処理期間PCMP2に対応して、蓄積期間PI終了後に、フォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送された蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2が出力される。
そして、AD変換部220の比較器221において、第2の比較処理CMPR2が行われる。比較器221では、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI後に、フォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に転送された蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2が出力され、第2の比較結果信号SCMP2に応じたデジタルデータがメモリ部230のメモリ232に格納される。
In the linear (Lin) ADC mode, in the photoelectric
Then, in the
上記処理中において、メモリ制御部240により、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1の状態(出力レベル)に応じて、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを行うか否かが制御される。
具体的には、メモリ制御部240において、第1の比較処理期間PSMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化した場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みが禁止される。
一方、メモリ制御部240においては、第1の比較処理期間CMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)のまま変化しなかった場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みが許容される。
During the above processing, the
Specifically, in the
On the other hand, in the
メモリ部230に読み出された信号は、メモリノードからのデジタル信号データの読み出しによって実行され、そのようなMIPIデータフォーマットを有する、たとえば出力回路40のIOバッファ41を介して固体撮像装置10(イメージセンサ)の外部に送られる。この動作は、全画素(ピクセル)アレイに対してグローバルに実行される。
The signal read to the
以上説明したように、本第1の実施形態によれば、固体撮像装置10は、画素部20において、デジタル画素として光電変換読み出し部210、AD変換部220、およびメモリ部230を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、各デジタル画素200がAD変換機能を有しており、AD変換部220は、光電変換読み出し部210により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器221を有している。
そして、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間にフォトダイオードPD1から出力ノード(フローティングディフュージョン)FD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する第1の比較処理CMPR1と、蓄積期間後の転送期間にフローティングノードFD1(出力ノード)に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する第2の比較処理CMPR2と、を行う。
As described above, according to the first embodiment, the solid-
In the solid-
Then, under the control of the
さらに、固体撮像装置10は、比較器221の比較結果信号の状態(本実施形態ではレベル)に応じてメモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部240を有する。
そして、メモリ制御部240は、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1の状態(出力レベル)に応じて、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを行うか否かを制御する。
具体的には、メモリ制御部240は、第1の比較処理期間PSMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化した場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを禁止する。
一方、メモリ制御部240は、第1の比較処理期間CMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)のまま変化しなかった場合、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みを許容する。
Further, the solid-
Then, the
Specifically, in the
On the other hand, when the
したがって、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用することから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかもメモリの効率的なアクセスが可能となる。
また、本第1の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、メモリの効率的なアクセスが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
Therefore, according to the solid-
Further, according to the first embodiment , it is possible to realize a substantially wide dynamic range and a high frame rate, efficient access to the memory is possible, and noise can be reduced, which is effective. The pixel area can be expanded to the maximum, and the value per cost can be maximized.
また、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。
Further, according to the solid-
また、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10は、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
したがって、本第1の実施形態において、第1の基板110側を、基本的に、NMOS系の素子だけで形成すること、および、画素アレイにより有効画素領域を最大限に拡大することにより、コストあたりの価値を最大限に高めることができる。
Further, the solid-
Therefore, in the first embodiment, the cost is obtained by basically forming the
(第2の実施形態)
図18は、本発明の第2の実施形態に係るメモリ制御部240Aの構成例を説明するための図である。
図19は、タイムスタンプADCモード時に比較器の出力が反転した場合の図18のメモリ制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図20は、タイムスタンプADCモード時に比較器の出力が反転しなかった場合の図18のメモリ制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
(Second embodiment)
FIG. 18 is a diagram for explaining a configuration example of the
FIG. 19 is a timing chart for explaining the operation of the memory control unit of FIG. 18 when the output of the comparator is inverted in the time stamp ADC mode.
FIG. 20 is a timing chart for explaining the operation of the memory control unit of FIG. 18 when the output of the comparator is not inverted in the time stamp ADC mode.
本第2の実施形態に係るメモリ制御部240Aは、たとえば電源電位VDDと基準電位VSSとの間に直列に接続されたnビット、この例では8位ビットに対応した8個のpチャネルMOS(PMOS)PT0~PT7、およびPMOSトランジスタPT8およびnチャネルMOS(NMOS)NT1からなるCMOSのバッファBF1により構成されている。
The
PMOSトランジスタPT0~PT7のゲートはメモリ231の各ビットセルBC0~BC7に接続されている。
そして、PMOSトランジスタPT8およびNMOSトランジスタNT1のゲートはサンプリング信号としての制御信号EVA TS ADC Bの供給ラインに接続され、ドレイン同市の接続ノードから信号OUT(図11のNOR回路の信号Bに相当する信号)がメモリ231に出力される。
The gates of the polyclonal transistors PT0 to PT7 are connected to the bit cells BC0 to BC7 of the
The gates of the polyclonal transistor PT8 and the nanotube transistor NT1 are the control signal EVA as a sampling signal. TS ADC It is connected to the supply line of B, and a signal OUT (a signal corresponding to the signal B of the NOR circuit in FIG. 11) is output to the
本第2の実施形態のメモリ制御部240Aにおいては、図19に示すように、第1の比較処理期間PCMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(たとえばローレベル)から第2のレベル(ハイレベル)に変化した場合、ADCコードADC CODE<N-1>は0ではない。
したがって、各ビットセルBC0~BC7はハイレベルであり、PMOSトランジスタPT0~PT7は非導通状態に保持される。このとき、制御信号EVATS ADC BはハイレベルであることからバッファBF1の出力ノードは基準電位VSSレベルとなり、信号OUTが第1のレベル(ローレベル)で出力される。これにより、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みが禁止される。
In the
Therefore, each bit cell BC0 to BC7 is at a high level, and the polyclonal transistors PT0 to PT7 are held in a non-conducting state. At this time, the control signal EVATS ADC B isYesSince it is a level, the output node of the buffer BF1 becomes the reference potential VSS level, and the signal OUT is output at the first level (low level). As a result, writing of data corresponding to the second comparison result signal SCMP2 by the second comparison process CMPR2 to the
一方、メモリ制御部240Aにおいては、図20に示すように、第1の比較処理期間CMPR1に、第1の比較処理CMPR1による第1の比較結果信号SCMP1のレベルが第1のレベル(ローレベル)のまま変化しなかった場合、ADCコードADC CODE<N-1>は0である。
したがって、各ビットセルBC0~BC7はローレベルであり、PMOSトランジスタPT0~PT7は導通状態に保持される。このとき、制御信号EVA TS ADC BはローレベルであることからバッファBF1の出力ノードは電源電位VDDレベルとなり、信号OUTが第2のレベル(ハイレベル)で出力される。これにより、第2の比較処理CMPR2による第2の比較結果信号SCMP2に応じたデータのメモリ部230への書き込みが許容される。
On the other hand, in the
Therefore, each bit cell BC0 to BC7 is at a low level, and the polyclonal transistors PT0 to PT7 are held in a conductive state. At this time, the control signal EVA TS ADC Since B is at a low level, the output node of the buffer BF1 has a power supply potential VDD level, and the signal OUT is output at the second level (high level). As a result, writing of data corresponding to the second comparison result signal SCMP2 by the second comparison process CMPR2 to the
本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、読み出し処理の高速化、低消費電力化を図ることが可能となる。 According to the second embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as the effect of the first embodiment described above, but also to speed up the reading process and reduce the power consumption.
(第3の実施形態)
図21は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置を説明するための図であって、タイムスタンプADCモード動作とリニアADCモード動作の選択処理の一例を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 21 is a diagram for explaining a solid-state image sensor according to a third embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of selection processing of time stamp ADC mode operation and linear ADC mode operation.
本第3の実施形態に係る固体撮像装置10Bが、上述した第1の実施形態に係る固体撮像装置10と異なる点は、次のとおりである。
第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、タイムスタンプ(TS)ADCモード動作とリニア(Lin)ADCモード動作が連続して行われる。
The solid-
In the solid-
これに対して、本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Bでは、照度に応じてタイムスタンプ(TS)ADCモード動作とリニア(Lin)ADCモード動作を選択的に行うことができる。
On the other hand, in the solid-
図21の例では、通常の照度である場合(ST1)、タイムスタンプADCモード動作とリニアADCモード動作が連続して行う(ST2)。
通常の照度ではなく、非常に(極めて)高照度の場合(ST1、ST3)、フォトダイオードPD1から電荷がフローティングディフュージョンFD1にオーバーフローする確率が高いことから、タイムスタンプADCモード動作のみを行う(ST4)、
通常の照度ではなく、非常に(極めて)高照度でもなく、非常に(極めて)低照度の場合(ST1、ST3、ST5)、フォトダイオードPD1から電荷がフローティングディフュージョンFD1にオーバーフローする確率がきわめて低いことから、リニアADCモード動作のみを行う(ST6)、
In the example of FIG. 21, when the illuminance is normal (ST1), the time stamp ADC mode operation and the linear ADC mode operation are continuously performed (ST2).
In the case of extremely (extremely) high illuminance (ST1, ST3) instead of normal illuminance, there is a high probability that the charge will overflow from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1, so only the time stamp ADC mode operation is performed (ST4). ,
In the case of very (extremely) low illuminance (ST1, ST3, ST5), which is neither normal illuminance nor very (extremely) high illuminance, the probability that the charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 is extremely low. Therefore, only linear ADC mode operation is performed (ST6),
本第3の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、読み出し処理の高速化、低消費電力化を図ることが可能となる。 According to the third embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as the effect of the first embodiment described above, but also to speed up the reading process and reduce the power consumption.
(第4の実施形態)
図22は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。
(Fourth Embodiment)
FIG. 22 is a diagram showing a configuration example of pixels of the solid-state image sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cが、上述した第1の実施形態に係る固体撮像装置10と異なる点は、次のとおりである。
本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cでは、電流源としてのカレントトランジスタIC1-Trが第1の基板110側ではなく、たとえば第2の基板120側のAD変換部220の入力側に配置されている。
The solid-state image sensor 10C according to the fourth embodiment is different from the solid-
In the solid-state image sensor 10C according to the fourth embodiment, the current transistor IC1-Tr as a current source is arranged not on the
本第4の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。 According to the fourth embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
以上説明した固体撮像装置10,10A,10B,10Cは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
The solid-state
図23は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載し
た電子機器の構成の一例を示す図である。
FIG. 23 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a camera system to which the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention is applied.
本電子機器300は、図23に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10が適用可能なCMOSイメージセンサ310を有する。
さらに、電子機器300は、このCMOSイメージセンサ310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)320を有する。
電子機器300は、CMOSイメージセンサ310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)330を有する。
As shown in FIG. 23, the
Further, the
The
信号処理回路330は、CMOSイメージセンサ310の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路330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。
The
The image signal processed by the
上述したように、CMOSイメージセンサ310として、前述した固体撮像装置10,10A,10B、10Cを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
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。
As described above, by mounting the above-mentioned solid-
Electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras are used in applications where there are restrictions on camera installation requirements such as mounting size, number of connectable cables, cable length, and installation height. Can be realized.
10,10A,10B、10C・・・固体撮像装置、20・・・画素部、PD1・・・フォトダイオード、TG1-Tr・・・転送トランジスタ、RST1-Tr・・・リセットトランジスタ、SF1-Tr・・・ソースフォロワトランジスタ、IC1-Tr・・・カレントトランジスタ、FD1・・・フローティングディフュージョン、200・・・デジタル画素、210・・・光電変換読み出し部、211・・・出力バッファ部、220・・・AD変換部、221・・・比較器、222・・・カウンタ、230・・・メモリ部、231・・・メモリ、240,240A・・・メモリ制御部、30・・・垂直走査回路、40・・・出力回路、50・・・タイミング制御回路、60・・・読み出し部、300・・・電子機器、310・・・CMOSイメージセンサ、320・・・光学系、330・・・信号処理回路(PRC)。 10, 10A, 10B, 10C ... Solid image pickup device, 20 ... Pixel part, PD1 ... Photodiode, TG1-Tr ... Transfer transistor, RST1-Tr ... Reset transistor, SF1-Tr ... Source follower transistor, IC1-Tr ... current transistor, FD1 ... floating diffusion, 200 ... digital pixel, 210 ... photoelectric conversion readout unit, 211 ... output buffer unit, 220 ... AD conversion unit, 221 ... comparator, 222 ... counter, 230 ... memory unit, 231 ... memory, 240, 240A ... memory control unit, 30 ... vertical scanning circuit, 40.・ ・ Output circuit, 50 ・ ・ ・ Timing control circuit, 60 ・ ・ ・ Read unit, 300 ・ ・ ・ Electronic device, 310 ・ ・ ・ CMOS image sensor, 320 ・ ・ ・ Optical system, 330 ・ ・ ・ Signal processing circuit ( PRC).
Claims (8)
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、
前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶可能なメモリ部と、
前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部と、を含み、
前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行うことが可能で、
前記読み出し部は、
前記第1の比較処理において、前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を得た後、前記第2の比較処理を行い
前記メモリ制御部は、
前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御する
固体撮像装置。 The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged, and
It has a reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit.
The pixel is
A photoelectric conversion element that stores the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period, and
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and a transfer element.
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A comparator that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal, and a comparator that performs comparison processing.
A memory unit that can store data according to the comparison result signal of the comparator, and
A memory control unit that controls access to the memory unit according to the state of the comparison result signal of the comparator is included.
The comparator is under the control of the readout unit.
A first comparison process for outputting a first digitized comparison result signal for the voltage signal according to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the accumulation period.
A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal for the voltage signal according to the stored charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. Can be done,
The reading unit is
In the first comparison process, after obtaining a digitized first comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing to the output node, the second comparison process is performed.
The memory control unit
Whether or not to write data according to the second comparison result signal by the second comparison process to the memory unit according to the state of the first comparison result signal by the first comparison process. A solid-state image sensor that controls.
第1の比較処理期間に、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルから第2のレベルに変化した場合、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを禁止する
請求項1記載の固体撮像装置。 The memory control unit
When the level of the first comparison result signal by the first comparison process changes from the first level to the second level during the first comparison process, the second level by the second comparison process is performed. The solid-state image sensor according to claim 1, which prohibits writing of data corresponding to the comparison result signal to the memory unit.
第1の比較処理期間に、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルのまま変化しなかった場合、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを許容する
請求項1または2記載の固体撮像装置。 The memory control unit
When the level of the first comparison result signal by the first comparison processing does not change at the first level during the first comparison processing period, the second comparison result by the second comparison processing The solid-state image sensor according to claim 1 or 2, which allows writing of data according to a signal to the memory unit.
前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号に応じた信号が第1のレベルで供給されると書き込みが禁止され、第2のレベルで供給されると書き込みが許容され、
前記メモリ制御部は、
前記第1の比較処理期間の終了後にサンプリング信号が供給されたときに、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルから第2のレベルに変化していると、前記メモリ部に、前記第1の比較結果信号に応じた信号を第1のレベルで供給し、
前記第1の比較処理期間の終了後にサンプリング信号が供給されたときに、前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号のレベルが第1のレベルのまま変化していないと、前記メモリ部に、前記第1の比較結果信号に応じた信号を第2のレベルで供給する
請求項2または3記載の固体撮像装置。 The memory part is
Writing is prohibited when the signal corresponding to the first comparison result signal by the first comparison processing is supplied at the first level, and writing is permitted when the signal corresponding to the first comparison result signal is supplied at the second level.
The memory control unit
When the sampling signal is supplied after the end of the first comparison processing period, the level of the first comparison result signal by the first comparison processing changes from the first level to the second level. Then, a signal corresponding to the first comparison result signal is supplied to the memory unit at the first level.
When the sampling signal is supplied after the end of the first comparison processing period, if the level of the first comparison result signal by the first comparison processing does not change at the first level, the memory. The solid-state image pickup device according to claim 2 or 3, wherein a signal corresponding to the first comparison result signal is supplied to a unit at a second level.
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、前記転送素子、前記出力ノード、および出力バッファ部が形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記比較器、前記メモリ部、前記メモリ制御部、および前記読み出し部の少なくとも一部が形成されている
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The first board and
Including the second substrate,
The first substrate and the second substrate have a laminated structure connected through a connecting portion.
On the first substrate,
At least, the photoelectric conversion element, the transfer element, the output node, and the output buffer portion of the pixel are formed.
On the second substrate,
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein at least a part of the comparator, the memory unit, the memory control unit, and the reading unit is formed.
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
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所定の電位にリセットするリセット素子と、を含み、
前記出力バッファ部は、
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し、変換した信号を出力するソースフォロワ素子と、
前記ソースフォロワ素子のソースに接続された電流源と、を含み、
前記フローティングディフュージョン、前記リセット素子、および前記ソースフォロワ素子は前記第1の基板に形成され、
前記電流源は、前記第1の基板または前記第2の基板に形成されている
請求項5記載の固体撮像装置。 The pixel is
Floating diffusion as the output node and
Includes a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during the reset period.
The output buffer unit is
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal according to the amount of charge and outputs the converted signal.
Including a current source connected to the source of the source follower element.
The floating diffusion, the reset element, and the source follower element are formed on the first substrate.
The solid-state image sensor according to claim 5, wherein the current source is formed on the first substrate or the second substrate.
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、
前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶するメモリ部と、を含む
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記画素の画素信号を読み出す場合、前記比較器において、
前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理を行い、
前記第1の比較処理において、前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を得た後、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理を行い、
前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御し、前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御する
固体撮像装置の駆動方法。 The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged, and
It has a reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit.
The pixel is
A photoelectric conversion element that stores the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period, and
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and a transfer element.
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A comparator that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal, and a comparator that performs comparison processing.
A method for driving a solid-state image sensor, including a memory unit that stores data corresponding to a comparison result signal of the comparator.
When reading out the pixel signal of the pixel, in the comparator,
Under the control of the reading unit
A first comparison process is performed to output a first digitized comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the accumulation period.
In the first comparison process, after obtaining a digitized first comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing to the output node,
A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal to the voltage signal according to the stored charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period is performed .
Whether or not to write data according to the second comparison result signal by the second comparison process to the memory unit according to the state of the first comparison result signal by the first comparison process. A method for driving a solid-state image sensor that controls access to the memory unit according to the state of the comparison result signal of the comparator.
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、
光電変換を行う画素が配置された画素部と、
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、
前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶可能なメモリ部と、
前記比較器の比較結果信号の状態に応じて前記メモリ部へのアクセスを制御するメモリ制御部と、を含み、
前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行うことが可能で、
前記読み出し部は、
前記第1の比較処理において、前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を得た後、前記第2の比較処理を行い
前記メモリ制御部は、
前記第1の比較処理による前記第1の比較結果信号の状態に応じて、前記第2の比較処理による前記第2の比較結果信号に応じたデータの前記メモリ部への書き込みを行うか否かを制御する
電子機器。
With a solid-state image sensor,
The solid-state image sensor has an optical system for forming a subject image, and the solid-state image sensor has an optical system.
The solid-state image sensor
The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged, and
It has a reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit.
The pixel is
A photoelectric conversion element that stores the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period, and
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and a transfer element.
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A comparator that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal, and a comparator that performs comparison processing.
A memory unit that can store data according to the comparison result signal of the comparator, and
A memory control unit that controls access to the memory unit according to the state of the comparison result signal of the comparator is included.
The comparator is under the control of the readout unit.
A first comparison process for outputting a first digitized comparison result signal for the voltage signal according to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the accumulation period.
A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal for the voltage signal according to the stored charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. Can be done,
The reading unit is
In the first comparison process, after obtaining a digitized first comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing to the output node, the second comparison process is performed.
The memory control unit
Whether or not to write data according to the second comparison result signal by the second comparison process to the memory unit according to the state of the first comparison result signal by the first comparison process. An electronic device that controls.
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Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10812742B2 (en) * | 2018-04-18 | 2020-10-20 | Facebook Technologies, Llc | Apparatus and method for determining whether a photodiode saturates and outputting a digital value representing a charge from that photodiode based on that determination |
JP7460345B2 (en) | 2019-09-30 | 2024-04-02 | ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド | Solid-state imaging device, driving method for solid-state imaging device, and electronic device |
CN113676625B (en) * | 2021-08-04 | 2023-07-18 | Oppo广东移动通信有限公司 | Image sensor, camera assembly and mobile terminal |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004320119A (en) | 2003-04-11 | 2004-11-11 | Fuji Photo Film Co Ltd | Image recorder |
JP2006197393A (en) | 2005-01-14 | 2006-07-27 | Canon Inc | Solid-state imaging device, driving method thereof and camera |
JP2010283525A (en) | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Toshiba Corp | Imaging device |
JP2012054495A (en) | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Sony Corp | Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging device, and imaging device |
JP2015164278A (en) | 2013-03-28 | 2015-09-10 | キヤノン株式会社 | Imaging device, driving method of the same and imaging system |
-
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JP2006197393A (en) | 2005-01-14 | 2006-07-27 | Canon Inc | Solid-state imaging device, driving method thereof and camera |
JP2010283525A (en) | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Toshiba Corp | Imaging device |
JP2012054495A (en) | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Sony Corp | Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging device, and imaging device |
JP2015164278A (en) | 2013-03-28 | 2015-09-10 | キヤノン株式会社 | Imaging device, driving method of the same and imaging system |
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