JPH0556213A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH0556213A
JPH0556213A JP3215174A JP21517491A JPH0556213A JP H0556213 A JPH0556213 A JP H0556213A JP 3215174 A JP3215174 A JP 3215174A JP 21517491 A JP21517491 A JP 21517491A JP H0556213 A JPH0556213 A JP H0556213A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 感度,光電変換タイミングなどの改善。 【構成】 フォトダイオード10A〜10Fは一直線状
に並べられ画素を構成する。隣には、MOSスイッチ1
1A〜11F,蓄積用容量素子13A〜13F,MOS
スイッチ12A〜12Fが近接配置されている。ビデオ
ライン15をかいして積分器部20につながれている。
積分器部20は蓄積用容量素子13A〜13Fそれぞれ
の電圧を電圧増幅して信号後処理回路21に出力し、信
号後処理回路21は積分器の出力とリセット時のレベル
との差を増幅することでリセットノイズを相殺して出力
する。制御回路18は、制御信号selA〜selF,
制御信号data,積分器部20及び信号後処理回路2
1への制御信号を出力し、この装置全体の動作を制御す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の受光素子で構成
されたアレイを備えている固体撮像装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】固体撮像装置は、走査方式(電荷転送方
式)でCCD(チャージカップルドデバイス)タイプ
と、MOSイメージセンサタイプの2つに大別され、現
在のところ、S/N比が高いなどの利点により前者が主
流である。しかし、画素についてランダムアクセスする
ような場合など、用途によってはMOSイメージセンサ
の方が有利なことがある。MOSイメージセンサの場
合、アレイ上の受光素子の選択に用いられるシフトレジ
スタをデコーダに置き換え、デコーダのアドレスライン
を外部から制御することにより、部分的な読み出しが可
能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のこの種
のMOSイメージセンサは、フォトダイオードに蓄積さ
れた電荷を単にビデオラインに移しかえる方式であるた
め、光に対する感度が小さい。また、フォトダイオード
の電荷は、それぞれ読み出される毎にリセットされ、そ
こから次に読み出されるまでが情報蓄積期間となるた
め、情報蓄積開始の瞬間がフォトダイオード毎に異な
る。積分時間に換算するための手段が必要がある。この
ように、MOSイメージセンサタイプの固体撮像装置
は、フレキシビリティがあるのだが、感度,光電変換タ
イミング,電荷の制御方法など多くの解決すべき課題を
有していた。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体撮像装置は、読み取るべき画像からの
光が画素単位でそれぞれに入射する複数のフォトダイオ
ードと、各フォトダイオード毎にそれぞれ設けられた複
数の容量素子とを備えたことを特徴とする。
【0005】また、各フォトダイオードとそれに対応す
る容量素子との間をそれぞれオン−オフする複数の転送
スイッチ素子と、これら転送スイッチ素子を転送期間中
オンさせ、転送期間経過後の読出期間に読出スイッチ素
子を順次オンさせる制御回路と、一端が前記容量素子に
つながれ、他端がビデオラインに共通に接続された複数
の読出スイッチ素子をさらに備えることを特徴としても
良い。
【0006】そして、容量素子の容量よりも小さな容量
の積分コンデンサを有するとともにビデオラインにその
入力がつながれたリセット可能な積分器をさらに備え、
制御回路が、さらに、読出スイッチ素子を順次オンさせ
る前に積分器をリセットすることを特徴としても良い。
【0007】また、積分器が、少なくとも並列に2系統
設けられ、その入出力に選択スイッチ素子を有し、制御
回路が、さらに、選択スイッチ素子を積分器について交
互にオン−オフさせることを特徴としても良い。
【0008】さらに、積分器の出力と積分器のリセット
時のレベルとの差を増幅する信号後処理回路をさらに備
えたことを特徴ととしても良い。
【0009】
【作用】各フォトダイオードで光電変換によって生じた
電荷は、対応する容量素子に出力される。これを詳述す
ると、リセットされた段階では、フォトダイオードと容
量素子の接続端子はリセット電位に保たれている。その
後、フォトダイオードへの光の照射強度に応じて発生す
る電荷により、 V6 = 発生電荷量 / (フォトダイオード自体の容量 + 容量素子) 分の電圧だけ、接続端子の電位が下がる。Q=C・Vの
関係により、この場合に於いてリセット電位×容量値が
最大飽和電荷量であるので、容量素子分の電荷量だけ飽
和電荷量を増やすことができることは自明である。
【0010】また、転送スイッチ素子などが設けられた
場合、転送期間中各転送スイッチ素子がオンになること
によって電荷が対応する容量素子に出力され、電荷が出
力されるまでの間の各フォトダイオードの光電変換時間
は、等しいものになっている。これら各容量素子に出力
された電荷は、ビデオラインからシーケンシャルに出力
される。
【0011】積分器をさらに備えた場合、積分コンデン
サに電荷が転送され、およそ「積分コンデンサ/容量素
子」倍の電圧増幅がなされる。積分器が2系統以上の場
合は、選択スイッチ素子で積分器をインターリーブして
動作させ、積分器のリセット時のセトリングタイムがカ
バーされる。
【0012】信号後処理回路をさらに備えた場合、積分
器のリセットノイズはリセット時のレベルに加算されて
おり、積分器の出力とリセット時のレベルとの差を増幅
することでリセットノイズが相殺される。
【0013】
【実施例】本発明の一実施例を図1乃至図5を用いて説
明する。図1には、本発明の固体撮像装置の基板レイア
ウトの概要が示されている。
【0014】受光素子であるフォトダイオード10A〜
10Fは、一直線状に並べられ、それぞれで画素を構成
している。この隣には、転送スイッチ素子であるMOS
スイッチ11A〜11F,蓄積用容量素子13A〜13
F,読出スイッチ素子であるMOSスイッチ12A〜1
2Fが近接配置されている。MOSスイッチ12A〜1
2Fの隣には、ビデオライン15が設けられ、積分器部
20につながれている。MOSスイッチ11A〜11F
は、フォトダイオード10A〜10Fと蓄積用容量素子
13A〜13Fとの電気的接続の制御するもので制御信
号dataによって制御されている。MOSスイッチ1
2A〜12Fは、蓄積用容量素子13A〜13Fとビデ
オライン15との電気的接続の制御するもので制御信号
selA〜selFによって制御されている。積分器部
20は、蓄積用容量素子13A〜13Fそれぞれの電圧
を電圧増幅して信号後処理回路21に出力するものであ
る。信号後処理回路21は、積分器の出力とリセット時
のレベルとの差を増幅することでリセットノイズを相殺
して出力する。制御回路18は、制御信号selA〜s
elFを出力するシフトレジスタ16と、制御信号da
ta,積分器部20及び信号後処理回路21への制御信
号を出力するタイミングジェネレータ17を有し、この
装置全体の動作を制御するものである。
【0015】図2には、この装置の光検出信号処理にか
かる回路図が示されている。フォトダイオード10A〜
10F,MOSスイッチ11A〜11F,蓄積用容量素
子13A〜13F,MOSスイッチ12A〜12Fにつ
いては、図面のスペースの関係上その一部に限って掲載
している。また、制御回路18からは、図3若しくは図
4に示すような制御信号が与えられている。図3,図4
もまたスペースの関係上MOSスイッチ11A〜11
F,MOSスイッチ12A〜12Fにかかる制御信号に
ついてはその一部に限られている。図2を用いて積分器
部20及び信号後処理回路21について説明を追加す
る。
【0016】積分器部20は、2系統の積分器20A,
20Bを有する。これらの積分器20A,20Bに設け
られた選択スイッチMS1,MS2は、制御信号S1
A,S2A,S1B,S2Bによってオン−オフされて
積分器20A,20Bの入力及び出力を制御するもので
ある。リセットスイッチMQ3は、制御信号reset
A,resetBがハイのとき、積分コンデンサCfを
ショートして積分器をリセットし、オペアンプA1,A
2の出力を基準電圧Vref1にする。制御回路18から図
3の制御信号がくる場合は、1系統の積分器で動作し、
図4の制御信号がくる場合は、2系統の積分器で動作す
る。
【0017】信号後処理回路21は、制御信号clam
p,holdで制御される。制御信号clampがハイ
のときトランジスタMQ4,5が導通して積分器20A
又は20Bのリセット時のレベルと基準レベルVref2
の差をコンデンサCS1に保持し、制御信号holdがハ
イのときトランジスタMQ6が導通してその時のレベル
をコンデンサCS2に保持する。これによって、積分器2
0A又は20Bの出力とリセット時のレベルとの差を出
力している。この動作については後述する。
【0018】つぎに、積分器を1系統とした場合のこの
装置の動作について、光信号蓄積動作時(図3のt1
3 ),その信号の読み出し動作時(図3のt4
15)に分けて説明する。
【0019】光信号蓄積動作の最初に、図3の左側に示
すように、蓄積用容量素子13A〜13Fのリセットが
行われる。この際、MOSスイッチ11A〜11F,M
OSスイッチ12A〜12Fがオンとなり、フォトダイ
オード10A〜10F,蓄積用容量素子13A〜13
F,ビデオライン15がつながる。また、制御信号re
setAによってオペアンプA1の出力と反転入力がつ
ながり、積分器がリセットされ、出力が基準電圧Vref1
になる。この基準電圧Vref1が、ビデオライン15を介
して、蓄積用容量素子13A〜13Fに印加され、充電
されてリセットが完了する(図3のt1 〜t2 )。
【0020】このリセット完了後、制御信号selA〜
selFがローになり、蓄積用容量素子13A〜13F
がビデオライン15と切り離され、蓄積動作になる。フ
ォトダイオード10A〜10Fと蓄積用容量素子13A
〜13Fとはつながれており、初期状態において、基準
電圧Vref1に応じた電荷が充電されている。各フォトダ
イオード10A〜10Fには、入射した光強度に応じた
光電流が流れ、充電されている電荷が減少する。即ち、
蓄積用容量素子13A〜13Fの両端電圧は、フォトダ
イオード10A〜10Fに流れた電流の分だけ減少す
る。一定の時間後、制御信号dataがローとなること
によってMOSスイッチ11A〜11Fは一斉にオフと
なる。蓄積用容量素子13A〜13Fがフォトダイオー
ド10A〜10Fと切り離され、電荷即ちそれらの各端
子電圧が保持され(図3のt2 〜t3 )、光信号蓄積動
作(積分動作)が完了する。
【0021】信号の読み出し動作は、つぎに示すよう
に、蓄積用容量素子13A〜13Fに蓄えられた電荷を
順次読み出すことによって行われる。この場合、制御信
号S1A,S2Aは常にハイであり、制御信号S1B,
S2Bは常にローになっていて、積分器20AのMOS
スイッチMS1,MS2は常にオン、積分器20Bの選
択スイッチMS1,MS2は常にオフになっている。
【0022】蓄積用容量素子13Aの電荷を読みだす前
に、制御信号resetAがハイとなって積分コンデン
サCfが短絡され、積分器20Aがリセットされる。ビ
デオライン15は、選択スイッチMS1を介して基準電
圧Vref1が出力され、この基準電圧Vref1の電位にな
る。また、制御信号holdがローに、制御信号cla
mpがハイになって信号後処理回路21がリセットされ
る。積分器20Aのリセット時のレベルが選択スイッチ
MS2を介して信号後処理回路21に出力される。続い
て、制御信号resetAがローとなると、積分器20
Aの出力にリセットスイッチMQ3のスイッチングノイ
ズが重畳された出力があらわれる。制御信号holdが
ハイに、制御信号clampがローになって、この積分
器20Aの出力がコンデンサCs1 に保持される。(図
3のt4 〜t7 )。
【0023】制御信号selAがハイになって、蓄積用
容量素子13Aがビデオライン15を介して積分器20
Aに接続され、蓄積用容量素子13Aに蓄えられた電荷
が積分コンデンサCfに移し変えられる。このとき、オ
ペアンプA1の増幅作用により、この動作は非常に高速
なものになっている。蓄積用容量素子13Aの電圧は、
リセット状態の基準電圧Vref1になる。また、積分器の
出力電圧VO は、 VO =Vref1+Ish・Δt/Cf (ただし、Ishは光電流、Δtは積分時間(t2 〜t
3 )である。)信号後処理回路21の出力Vout は、電
荷保存則を用いてつぎの式であらわせる。 (Voff +Vref2−Vreset −ΔVn )×CS1 +(Voff +Vref2−Vref2)×CS2 =(Voff +Vref2−Vo −ΔVn )×CS1 +(Voff +Vref2−Vout )×CS2 ここで、Vreset :オペアンプA1のリセット時の出力 Voff :オペアンプA1のオフセット電圧 ΔVn :リセットスイッチMQ3のスイッチングノイズ この左辺はリセット時のコンデンサCS1,CS2の状態、
右辺は蓄積用容量素子から電荷が読み出された時の状態
を示している。
【0024】Vreset は基準電圧Vref1に等しいので、 Vout =−(CS1/CS2)・(Ish・Δt/Cf)+Vref2 となる。さらに、CS1=CS2とすると、 Vout =Vref2−Ish・Δt/Cf となり、オペアンプ回路A1のオフセット電圧や、リセ
ットスイッチMQ3のスイッチングノイズ等の要素に影
響されずに、正確に基準電圧Vref2に対する光信号情報
即ち光の強度に応じた信号が信号後処理回路21から出
力される(図3のt8 〜t9 )。
【0025】蓄積用容量素子13B以降についても、同
様の動作で蓄えられた電荷が順に読みだされ、光の強度
に応じた信号が出力される(図3のt14〜t19)。
【0026】積分器20Aのリセットの際(図3のt5
〜t6 )に、オペアンプA1の出力にリンギングが発生
しやすく、制御信号resetAがハイとなっている期
間を十分長いものにする必要があり、高速動作の妨げと
なる場合がある。この場合、積分器を2系統以上とし、
これらの積分器を切り替えることによってこの問題は解
決される。
【0027】図4は、積分器を2系統とした場合の制御
信号のタイミングチャートである。光信号蓄積動作時
(図4のt1 〜t3 )では、前述の図3と同じ動作で蓄
積用容量素子13A〜13Fに電荷が蓄積されている。
信号の読み出し動作時(図4の右側)には、制御信号S
1A及びS2AとS1B及びS2Bとで積分器20A,
20Bを切り替えている。また、片方の積分器が蓄積用
容量素子の電荷を入力しているときに、もう片方の積分
器をリセットしている。そのため、制御信号reset
A,Bがハイとなっている期間(図4のt28〜t29,t
38〜t39)が十分長いものになり、オペアンプA1のリ
ンギングがあらわれても、それが出力されるのを防止し
ている。
【0028】前述の固体撮像装置をカラー化することが
可能である。図5には、カラー化した場合の基板レイア
ウトの概要が示されている。赤色フォトダイオード列4
10R,緑色フォトダイオード列410G,青色フォト
ダイオード列410Bは、図1のフォトダイオード10
A〜Fと同等のもので、互いに隣接して配置されてい
る。これらに対応する蓄積用容量素子,MOSスイッチ
などは、符号412R,412G,412Bで示される
部分に設けられている。各蓄積用容量素子の電荷は、そ
れぞれ赤色用ビデオライン415R,緑色用ビデオライ
ン415G,青色用ビデオライン415Bに出力され、
赤色用積分器420R,緑色用積分器420G,青色用
積分器420B及び赤色用信号後処理回路421R,緑
色用信号後処理回路421G,青色用信号後処理回路4
21Bで増幅され、出力される。図6には赤色フォトダ
イオード列410R,緑色フォトダイオード列410
G,青色フォトダイオード列410Bの配置されている
領域の拡大図が示されている。各フォトダイオード列4
10R,410G,410Bを構成する赤色用フォトダ
イオード610R,緑色用フォトダイオード610G,
青色用フォトダイオード610Bが近接配置され,アル
ミ配線パターン611R,611G,611BでMOS
スイッチを介して各蓄積用容量素子につながれている。
【0029】本発明は、前述の実施例に限らず様々な変
形が可能である。
【0030】例えば、蓄積用容量素子のリセット時の充
電電圧を基準電圧Vref1としたが、別個に充電用電源
と、この電源とビデオラインとの間にスイッチを設け
て、この電源から蓄積用容量素子へ充電しても良い。こ
の場合、電源を可変にすることができ、レベル調節が可
能となる。また、光強度の高いときは、積分器に代えて
FETによるバッファアンプにすることができる。さら
に、シフトレジスタをデコーダに置き換え、任意のフォ
トダイオードから読み出すようにしても良い。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置によれば、同じ期間中各転送スイッチ素子がオンに
なるため各フォトダイオードでの光電変換時間は等しい
ものになり、出力信号の条件が等しくなり、外部でのレ
ベル補正が不要である。また、容量素子をフォトダイオ
ード毎に備えており、しかも画素情報である容量素子の
端子電圧を読出スイッチ素子から順次読み出し、積分器
で電圧増幅するので、高い感度の画素情報を得ることが
できる。さらに、積分器を2系統にすると高速動作にす
ることができる。また、装置内に内蔵された信号後処理
回路を介して電流増幅手段の出力を取り出すので、S/
N比の高い信号を取り出すことができ、かつ、外部に複
雑な信号処理回路が不要となるので、使い勝手がよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のレイアウトの概略図。
【図2】本発明の一実施例を示す回路図
【図3】本実施例の積分器が1系統の動作を示すタイミ
ングチャート。
【図4】本実施例の積分器が2系統の動作を示すタイミ
ングチャート。
【図5】カラー化した時の本発明の一実施例のレイアウ
トの概略図。
【図6】フォトダイオード列の配置されている領域の拡
大図。
【符号の説明】
10A〜10F…フォトダイオード 11A〜11F,12A〜12F…MOSスイッチ 13A〜13F…蓄積用容量素子 15…ビデオライン 18…制御回路 20A,20B…積分器 21…信号後処理回路 MS1,MS2…選択スイッチ 415R,415G,415B…ビデオライン 420R,420G,420B…積分器部 421R,421G,421B…信号後処理回路 610R,610G,610B…フォトダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 31/02 31/10 8422−4M H01L 31/10 A 8422−4M G

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 読み取るべき画像からの光が画素単位で
    それぞれに入射する複数のフォトダイオードと、 各フォトダイオード毎にそれぞれ設けられた複数の容量
    素子とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記各フォトダイオードとそれに対応す
    る前記容量素子との間をそれぞれオン−オフする複数の
    転送スイッチ素子と、 一端が前記容量素子につながれ、他端がビデオラインに
    共通に接続された複数の読出スイッチ素子と、 前記転送スイッチ素子を転送期間中オンさせ、前記転送
    期間経過後の読出期間に前記読出スイッチ素子を順次オ
    ンさせる制御回路とをさらに備えたことを特徴とする請
    求項1記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 前記容量素子の容量よりも小さな容量の
    積分コンデンサを有するとともに前記ビデオラインにそ
    の入力がつながれたリセット可能な積分器をさらに備
    え、 前記制御回路が、さらに、前記読出スイッチ素子を順次
    オンさせる前に前記積分器をリセットすることを特徴と
    する請求項2記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 前記積分器が、少なくとも並列に2系統
    設けられ、その入出力に選択スイッチ素子を有し、 前記制御回路が、さらに、前記選択スイッチ素子を前記
    積分器について交互にオン−オフさせることを特徴とす
    る請求項3記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 前記積分器の出力とそのリセット時のレ
    ベルとの差を増幅する信号後処理回路をさらに備えたこ
    とを特徴とする請求項3又は4記載の固体撮像装置。
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