JPH02107075A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子シャッタ機能付の画素増幅型及びライン
増幅型の固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、固体撮像装置の発展は目ざましく、既にＣＣＤ型
、ＭＯＳ型を中心として実用化され、さらに電子シャッ
タ機能付のものが主流になりつつある。

以下、図面を用いて、従来技術について説明する。

第１２図は、電子シャッタ機能付Ｔ　Ｓ　Ｌ方式固体撮
像装置の例である。この図では、説明を簡単化するため
画素数を２×２に設定した。

ホトダイオード１０１は、垂直ＭＯＳトランジスタ１０
２と水平ＭＯＳトランジスタ】０３と水平信号腺１１１
および読み出し部１０８とを介して出力アンプ１１２に
接続されている。垂直走査回路（読み出し用）１０９は
、読み出し部１０８と垂直ゲート線１０４を制御し、水
平走査回路１１０は、水平ゲート線１０５の制御用であ
る。

また、電子シャッタを実現するために読み出し用しは別
に掃き出し用の垂直走査回路１０７とリセット部１０６
が反対側に設けである。

入射光によって生じた信号電荷はホトダイオード１０１
の接合容量に蓄えられる。通常時の読み出しは１次の手
順で行われる。垂直走査回路１０９により垂直ゲート線
１０４を通じて垂直ＭＯＳトランジスタ１０２を通道さ
せ、次に水平ゲート線１０５を通じて水平走査回路１１
０が順次水平ＭＯＳトラジスタ１０３を導通させ、読み
出し部１０８を介して出力アンプ１１２へと出力する。

また電子シャッタを行う場合は、上記読み出し走査に先
行させて、水平帰線期間に垂直走査回路１０７により、
リセット部１０６を介して余剰な信号の掃き出しを行う
。この先行走査により、各ホトダイオード１０１は、通
常の読み出し前に一度リセットされ、再び蓄積を開始し
、次の走査までの期間、ホトダイオードに蓄積されてい
るものが信号電荷として順次読出される。この種の装置
については、テレビジョン学会技術報告（ｖｏ　Ｑ　。

１０、Ｎα５２．ｐｐ３１〜３６．ＴＥＢＳ’　８７−
６’　、　ＥＤ８７−１１　（Ｆｅｂｌ、９８７）　）
に論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術において電子シャッタを実現するためには
、水平帰線期間に余剰な信号電荷の掃き出しを行う必要
がある。言い換えれば、撮像装ｂ″ｔの信号蓄積時間を
短縮することにより、電子シャッタが実現される。

例えば第１３図は電荷？９Ｎモードの一例を示したもの
であるが１通常の蓄積時間（フィールド蓄積の場合は１
／６６秒、フレーム蓄積の場合は１／３０秒）に比べ電
子シャッタ動作を行うと相対蓄積電荷が減少してしまう
。その結果、電子シャッタ使用時には、上記理由により
Ｓ／Ｎが低下してしまい、画質が著しく劣化してしまう
という問題があった。特に上記問題点は、より高速の電
子シャッタを行う場合に顕著になる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、電子シャッタ使用時
においても、常に良好な画像が得られる固体撮像装置を
提供することにある。

本発明の他の目的は、低照度での撮像においても高感度
を保持することのできる固体撮像装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、２次元状に配置さ
れた光電変換素子と、これら光電変換素子で得られた（
Ｉ’ｌＪ＋を、単位画素毎（画素増幅型）または、信号
線毎（ライン増幅型）に増幅する手段と、走査回路によ
り制御される多数の（１号読み出しスイッチとから構成
され、さらに電子シャッタを実現するための手段を有す
る固体撮像装置において、」−記信号増幅手段を可変増
幅型の増幅器にしたものである。

〔作用〕

上記の様に信号増幅器を可変増幅型にすることにより、
上記固体撮像装置における電子シャッタ実施時に問題と
なる信号電荷量の減少（Ｓ／Ｎの低下）を防止、改善す
ることができる。

以下に何故、信号増幅器を可変増幅型にすればＳ／Ｎが
改善されるのかについて説明する。

電子シャッタを行うと信号電荷量が減少してしまう。こ
れがＳ　／　Ｎ低下の理由であるが、ここで上記可変信
号増幅器のゲインを上げれば、信号出力が増幅される。

このとき、信号増幅器の前の雑音も同じ様に増幅される
が、信号増幅器の後の雑音は、ゲインを上げる以前と同
じ大きさのままである。また、信号増幅器の後で発生す
る雑音は、信号増幅器の前で発生する雑音に比べて大き
い。

以上の理由からより、可変増幅器のゲインをとげれば相
対的にＳ／Ｎが改善されることになる。

従ってイｄ号斌が少ない場合には、上記可変増幅器のゲ
インを上げて、出力を適当なＳ／Ｎになる様に設定すれ
ば良く、これにより電子シャッタ実施時においても、常
時、良好な画像を得ることができる。また、可変増幅器
の適用は、電子シャッタ使用時のみだけでなく１通常の
低照度における撮像においても効果的である。これは、
上記と全く同じ理由によるものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

２次元状に配置されたホトダイオード１は、垂直ゲート
ｍ６に制御される垂直ゲートスイッチ２を介して、画素
アンプ４のゲートと、垂直走査線７及び垂直ゲート線５
によって制御されるリセツ１へスイッチ３とに接続して
いる。画素アンプ４はＭＯＳトランジスタであり、その
ソースは、垂直走査線７に、トレインは垂直信号線８を
介して負荷トランジスタコ５のソースに接続され、全体
はインバータ回路を構成している。なお、負荷トランジ
スタ１５のドレインは、負荷ドレイン線１９に、ゲート
は負荷ゲート１＆１８に接続されている。

上記インバータ回路には、ゲート線１６，１．７により
各々制御されるゲートスイッチ９，１０を介して、？９
積容量１１．１２がそれぞれ設けてあり、これら蓄積容
＋＆ｉｌ、１２はさらに、水平ゲートスイッチ１３．１
４を介して水平信号線２０に接続されている。

各走査線は、′＠直定走査回路読出し用）２１及び水平
走査回路２２によって走査される。また電子シャッタを
行うために、上記垂直走査回路２１とは、別に、掃き出
し用の垂直走査回路２３とリセット用掃き出し部２４が
設けである。

入射光に応じて発生した信号電荷は、各ホトダイオード
１にＮ積され、次の順序で出力される。

装置の出力の水平帰線期間の始めに、次に読み出すべき
水平方向−列のホトダイオード１が選択されると、その
−列に対応した垂直ゲート線５と垂直走査線７がオン、
オフし、リセットスイッチ３によるリセットを行う。次
に負荷ドレイン線１９がオンすると、この−列の各画素
アンプ４は、インバータ回路のドライバトランジスタと
して動作する。このとき各インバータ回路の出力は、信
号電荷のない場合の出力であり、ゲート線１６がオン、
オフすることによってこの出力電圧はゲートスイッチ９
を介して蓄積１１へと記憶される。

次いで上記水平方向−列に対応した垂直ゲート線６がオ
ン、オフして信号電荷が各画素アンプ４のゲートに加オ
〕ると、各インバータ回路の出力は、信号電荷の斌に対
応した値となる。ここでゲート線１７をオン、オフする
ことによって上記出力電圧は、ゲートスイッチ１４を介
して８１１容ｔｔ１２へと記憶される。

水平帰線期間内の動作は以上であり、水平走査出力期間
内には、水平走査回路２２が各画素に対応する水平ゲー
トスイッチ１３．１４を順次開閉走査することにより、
？？積容量１１．１２に蓄えられていたインバータ回路
出力電荷が水平信号線２０より順次出力される。蓄積容
１ｔｌｌ、１２に蓄えられていた出力電荷は、各画素ア
ンプ４についての、リセット時と信号電荷入力時の両者
の場合の出力を時間的に連続して得たものであり、さら
にこれら面出力の差分をとることにより、複数のインバ
ータ回路の入力オフセットばらつきに起因する雑音及び
インバータ回路の１／ｆ雑音を容易に抑圧することがで
きる。

次に、電子シャッタを行う場合は、上記読み出し走査に
行先させて、水平帰線期間にホトダイオード１の余剰な
信号電荷を垂直走査回路（掃き出し用）２３を走査し、
リセットスイッチ３を介してリセット用掃き出し部２４
へ捨て、電荷の蓄積時間を短縮することにより実現され
る。

ここで、本実施例においては、電子シャッタを行う場合
に問題となるＳ／Ｎの低下は、以下に記す方法により改
善されている。

画素アンプ４と負荷トランジスタ１５がら成るインバー
タ回路においては、負荷ゲート線に印加される可変電源
３５を適当に変化させることにより、蓄積容量１１．１
２に記憶される上記インバータ回路の出力レベルを任意
に制御できる構成になっている。換言すれば上記インバ
ータ回路は、画素アンプ４の増幅率を任意に変化させろ
ことができる可変増幅器になっている。従って電子シャ
ッタを行う場合は、上記増幅率を上げて出力レベルを大
きくしてＳ／Ｎを適当に設定してやれば良しＡｏ また上記の様に画素アンプ４を可変増幅型にしたことに
より、通常動作時での低照度における撮像においてもＳ
／Ｎの低下を防止することができる。但し１通常動作の
場合、垂直走査回路２３とリセット用掃き出し部２４は
なくてもよい。

ここで、ホトダイオード１から画素アンプ４の入力まで
で生じる雑音は、極力小さくしなければならない。これ
は、画素アンプ４が信号電荷だけではなく上記雑音も増
幅するためである。

以下、本発明の他の実施例を第２図により説明する。第
２図に示す実施例の構成は、垂直ゲートスイッチを持た
ない他は、第１図のものと同一である。

本実施例では、信号電荷のある場合の画素アンプ４の出
力を蓄積容量１１に蓄えた後に、リセットスイッチ２５
によるリセットを行った場合の画素アンプ４の出力を蓄
積容ｆ１２に蓄えることになる６また電子シャッタは上
読読み出し走査に先行して、垂直走査回路２３によって
ドレイン線２６をオン、オフし、リセットスイッチ２５
を介して、リセット用掃き出し部２４へ余剰信号電荷を
掃き出すことにより実現される。本実施例は、上記リセ
ットによるリセットレベルのばらつきによるリセット雑
音が発生するが１画素部の構造は第１図より簡単である
。

以Ｆ１本発明の他の実施例を第３図により説明する。第
３図は、画素アンプ２７がバイプーラトランジスタであ
る他は、第１図と構成も動作も同一であり、また第１図
と同様な効果が得られる。

以下、本発明の他の実施例を第４図により説明する。第
４図は、第１図番ごおいて垂直ゲート線５が可変電圧の
垂直ゲート線；３７になった他は、構成も動作も同一で
ある。

本実施例では、負荷トランジスタ１５のゲートに加わる
可変ｉｔｇ３５を変化させて画素アンプ４のゲインを変
える方法の法に、以下に記す方法によってもゲインコン
トロールが可能になっている。

本実施例では、画素アンプ４のリセット電圧を、リセッ
トスイッチ３のゲート電圧の大きさを変えることにより
、変化させることができる構成になっている。

画素アンプ４の信号電荷入力時の入力電圧Ｖ　Ｉ　ｎは
、リセット電圧をＶＲ，信号電荷をＱｓ、入力容量をＣ
とすれば で表わされる。また、入力容量Ｃは、画素アンプ４のゲ
ート容量をＣｔ、ホトダイオード１及び垂直ゲートスイ
ッチ２のドレイン拡散部分の容聴和をＣｐとすれば Ｃ＝　Ｃｚ　＋　Ｃｐ　　　　　　　　　　　　　・・
・（２）で表される。ここで、Ｃｐは、接合容量なので
、リセット電圧ＶＲに対して強い電圧依存性がある。

従って以上より、リセット電圧ＶＲを変えてやれば、入
力容ＭＣ，の大きさが変わり、画素アンプ４の入力電圧
Ｖｔｎを変化させることができ、最終的に画素アンプ４
のゲインを変化させることができる。但し１本実施例の
場合、（２）式においてＣｒｔ　＞　Ｃｐであると上記
ゲインの変化は小さくなるので、十分配慮して設計しな
ければならない。また本実施例では、リセット電圧をリ
セットスイッチ３のゲート電圧を変えることにより変化
させたが、ウェル（または基板）の電圧を変えること（
基板バイアス）によってもリセット電圧を変えても良い
。

以下、本発明の他の実ＩＭ例を第５図により説明する。

第５図は、第４図において画素アンプ４と負荷トランジ
スタ１５からなるインバータ回路の負荷ドレイン線１９
を負荷ソース線３８にして上記インバータ回路をソース
フォロア回路にしたものであり、その他は第４図の実施
例と同一である。

尚、第１図、第２図、第３図、第４図、第５図の実施例
においては、画素毎の可変増幅部を、２個のトランジス
タから成るインバータ回路または、ソースフォロア回路
で構成したが、他の種類の構成の可変増幅器にしても、
上記実施例に準じた効果（第１図で述べた効果）が得ら
れることは明らか！ある。

以下、本発明のさらに他の実施例を第６，７゜８図によ
り説明する。

第６図で２次元状に配置されたホトダイオード１は、垂
直ゲート線６に制御される垂直ゲートスイッチ２と垂直
信号＆＄８とを介して可変増幅型のラインアンプ２８の
入力部に接続しである。さらにラインアンプ２８の出力
は、ＣＤ５（相関二重サンプリング）回路と水平スイッ
チ３０とを介して出力端に接続しである。別にたとえば
ＭＯ８形シフトレジスタから成る水平走査回路２２と垂
直走査回路２１とがあり、水平走査回路２２は、垂直信
号線８によって水平スイッチ３０のゲートを制御して水
平走査を行い、取直走査回路２１は水平方向に一列に配
列された各ホトダイオード１の垂直ゲートスイッチ２の
ゲートを各列ごとに垂直ゲート！ａ６により一括して制
御して垂直走査を行う。

また電子シャッタを行うために、上記垂直走査回路２１
とは別に、掃き出し用の垂直走査回路２：３とリセット
用掃き出し部２４が設けである。

次に第７図は、本実施例の具体的な単位構成を示したも
のであり、第８図はラインアンプ部分２８の側である。

光によって発生した信号電荷は、ホトダイオード１の接
合容量に蓄えられる。水平帰線期間の始めに、スイッチ
Ｓ１がオンし、ラインアンプ２８の入力は、リセット電
位になる。続いてスイッチＳ１がオフするとラインアン
プ２８の人力は、垂直信号線８のスメア成分の電位にな
る。このときスイッチＳ２．Ｓ３はオンの状態である。

次にスイッチＳ２がオフすると上記ラインアンプ２８の
スメア電位に対する出力が、蓄積容量０１に伝達され、
スイッチＳ３がオフすると同時に記憶される。これがス
メア成分の読み出しである。

信号電荷の読み出しは、上記スメア成分の読み出しと全
く同様にして行われる。すなわち、スイッチＳ２がオフ
すると同時に垂直ゲートスイッチ２がオンすると信号電
荷とスメア成分の和に対するラインアンプ２８の出力が
、？ｌ容ｋｋｃ２に伝達され、スイッチＳ４がオフする
と同時に記憶される。

以上は、水平帰線期間内の動作であるが、水平走査期間
には、スイッチＳ３’　、８４’　、および水平スイッ
チ３０を順次開閉走査することにより。

蓄積容量ＣＬ、Ｃ２に記憶されていた出力が、ソースフ
ォロアを介して順次出力され、さらに両出力の差分をと
ることによって、信号成分のみが出力される。

本実施例では、ＭＯ８型固体撮像索子で問題となる、ス
メアを差動することにより抑圧した他、ＲＴＣ雑音は、
ＣＤＳ回路２９によって抑圧されている。

またラインアンプ２８は、第８図（ａ）、（ｂ）に示し
たインバータ３２やカスコード型インバータ３３を採用
することによりゲインを任意に変えることができる可変
増幅型になっている。上記インバータ３２では、負荷Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート電圧■１を変えることにより
動作点を変化させ、ゲインを可変できる。またカスコー
ド型インバータ３３では、Ｖ２．Ｖ３の値を変えること
により各々動作点と電流レベルを変化させ、ゲインを制
御することができる。

本実施例において、電子シャッタを行う場合は、−１−
読の読み出し走査に行先させて、ホトダイオード１の余
剰な信号電荷を垂直走査回路（掃き出し用）２３を走査
し・てリセット用掃き出し部２４へ捨てることにより実
現される。この場合、上記ラインアンプ２８のゲインを
上げてやれば、電子シャッタ実施時のＳ／Ｎの低下は防
止でき、高画質の画が得られる。また上記の様にライン
アンプ２８を可変増幅型にしたことにより、低照度での
通常動作における撮像においても、高Ｓ／Ｎを保持する
ことが可能である。

以下、本発明のさらに他の実施例を第９図により説明す
る。第９図に示す実施例の構成は、ラインアンプ３４を
除けば、第７，８図で示した実施例と同一である。

本実施例では、ゲインアンプに帰還容量３６を設けたこ
とが特徴であり、ラインアンプ３４のゲインは、はぼ垂
直信号線８の容量と帰還容量３６の比によって決定され
る。また、ラインアンプ３４は、帰還容量３６の大きさ
をスイッチで選択できるので、帰還容量３６の大きさｃ
、ｃ’　、ｃ’によってゲインを変化させることができ
る。但し、本実施例の場合、ゲインを連続的には変化さ
せることができないが、ラインアンプのゲインのばらつ
きを非常にノ」為さくすることができる。本実施例では
、帰還容量３６の数を３個の場合について述へたが、一
般にＸ個の場合でも、Ｌ記可変増幅器を実現できること
は、明らかである。

以下、本発明のさらに他の実施例を第１０図により説明
する。第１０図に示す実施例の構成は、第７，８図のラ
インアンプ２８の＋ｊｌ後の容ｆｔ　Ｃｃを、各々、大
きさの異なる容量Ｃｘ　、　Ｃｙ　、Ｃｚにより構成し
た他は、同一である。

ラインアンプ部５１のインバータの出力は、容ｔｃｘ（
ｃｙ、ｃｚ）とソースフォロア■の入力ゲート容量の大
きさに応じて、容量分割され、蓄積容量Ｃ１，Ｃ２に伝
えられ記憶される。従って容量Ｃｘ　、Ｃｙ　Ｔ　Ｃｚ
　をスイッチにより適当に選択すれば、ラインアンプ部
５１のゲインを調整できる。

以下本発明のさらに他の実施例を第１１図により説明す
る。第１１図は、第５図で述べた画素アンプ部がソース
フォロア回路で構成された画素増幅型固体撮像装置の垂
直信号線毎にさらにゲイン制御用のインバータ回路を設
けた固体撮像装置の単位構成を示したものである。上記
以外の構成部および動作は、第５図の場合と同一である
。

本実施例では、インバータ回路を設けたことにより任意
にゲインを変化させることができ、第５図の実施例に比
べて広範囲にゲインを制御することができる。

尚、ライン増幅型固体撮像装置においては、ラインアン
プを第８．９，１．０図に示す回路で構成したが、他の
種類の構成の可変増幅器を用いても上記実施例に準じた
効果が得られることは、明らかであり、また第１１図に
示したライン部の可変増幅部（インバータ回路）を他の
種類の可変増幅器で構成しても良い。

以−ヒの実施例においては、説明の簡単化のため。

画素数を制限して述べたが、一般のｘｘｙ画素の装置に
ついても本発明が成立することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、画素増幅型及びラ
イン増幅型の固体撮像装置において、各増幅手段を可変
型にすることにより、低照度や電子シャッタ実施時等の
信号域が少ない場合でも上記可変増幅手段のゲイン上げ
ることで高Ｓ／Ｎが保持できるので、常に高画質の画像
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図は、本発明の
画素増幅型固体撮像装置の実施例を示す回路図、第６図
は、本発明のライン増幅型固体撮像装置における実施例
を示す回路図、第７図、第９図、第１０図はラインアン
プ部とＣＤ　Ｓ　＠路部の実施例を示す回路図、第８図
はラインアンプ部の実施例を示す回路図、第１１図は、
本発明の他の実施例の撮像装置のｔ…位構成図、第１２
図は、従来技術の撮像装置の回路図、第１３図は従来装
置の動作説明図である。 ｌ・・・ホトダイオード、４，２７・・・画素アンプ、
１５・・・負荷トランジスタ、２８，３４．５１・・・
ラインアンプ、２３・・・垂直走査回路（掃き出し用）
、２４・・・リセット用掃き出し部、３２・・・インバ
ータ、３３・・・カスコード型インバータ、３５・・・
可変電流、３７・・・可変電圧垂直ゲート線。 拓 圀 第 凶 １素了〉フ゛ 第 図 ２乙 Ｆｌ、イン赤ｒ５ χ 挙 区 司”づしｄ覧ｈヨＪ！！’ｆ”−トを廊ピ燵楠ンース千
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体内に２次元状に配置された光電変換索子と、
   これら光電変換素子で得られた信号を、単位画素毎もし
   くは垂直信号線毎に増幅する手段と、前記増幅手段の入
   力をリセットする手段と、前記信号を信号線を介して読
   み出すための多数スイッチと、これら多数スイッチを順
   次走査する走査回路から成る画素増幅型の固体撮像装置
   において、前記増幅手段が可変増幅型であることを特徴
   とする固体撮像装置。 ２、前記特許請求範囲第１項記載の固体撮像装置におい
   て、電子シャッタを行う手段を有することを特徴とする
   固体撮像装置。 ３、前記特許請求範囲第１項記載の固体撮像装置におい
   て、電子シャッタ時間と可変増幅手段の増幅率を連動さ
   せる構造を有することを特徴とする固体撮像装置。 ４、前記特許請求範囲第１項記載の固体撮像装置におい
   て、被写体照度と可変増幅手段の増幅率を連動させる構
   造を有することを特徴とする固体撮像装置。