JPH09172577A - 固体撮像素子の駆動方法およびビデオカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水平スイッチトランジスタの閾値電圧Ｖthが
各トランジスタごとに異なることに起因して縦筋状の固
定パターンノイズの発生していた。 【解決手段】 複数個の画素部で発生する信号を一旦負
荷容量に蓄積した後、出力部を介して外部に出力する構
成の増幅型固体撮像素子において、複数個の負荷容量に
一旦蓄積された信号を出力部に転送する際に、水平スイ
ッチトランジスタを一旦導通状態にし（タイミングｔ
３，ｔ８，……）、しかる後不導通状態にし（タイミン
グｔ５，ｔ９，……）、その不導通状態のときに得られ
る出力部からの出力信号を画素信号として読み出すよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子の駆
動方法およびビデオカメラに関し、特に複数個の画素部
で発生する信号を一旦ホールドした後、出力部を介して
外部に出力する構成の固体撮像素子の駆動方法およびこ
の駆動方法が適用される固体撮像素子を用いたビデオカ
メラに関する。

【０００２】

【従来の技術】複数個の画素部で発生する信号を一旦ホ
ールドした後、出力部を介して外部に出力する増幅型固
体撮像素子の構成の一例を示す図１において、その駆動
方法の従来例につき、図６のタイミングチャートに基づ
いて説明する。先ず、水平ブランキング期間において、
１ライン分（１行分）の画素トランジスタ１１の信号が
動作スイッチトランジスタ１６（…，１６n,１６n+1,
…）を介して各列ごとに負荷容量１７（…，１７n,１７
n+1,…）に一旦蓄えられる（タイミングｔ０）。

【０００３】その後の水平有効期間においては、各負荷
容量１７（…，１７n,１７n+1,…）に蓄えられた信号が
順次出力回路２２に読み出される。この出力回路２２に
おいて、リセットパルスφＲに応答してリセットスイッ
チトランジスタ２４がオン状態になることで、出力回路
２２がリセットされる（タイミングｔ１）。次に、Ｎ番
目の水平スイッチトランジスタ１８n が導通し始める過
渡期において、水平スイッチトランジスタ１８n のゲー
ト電圧φＨn がその閾値電圧Ｖthとなる（タイミングｔ
２）。

【０００４】そして、水平スイッチトランジスタ１８n
のゲート電圧φＨn が５Ｖ（ハイレベル）となり、水平
スイッチトランジスタ１８n がオン状態になると、Ｎ番
目の負荷容量１７n に蓄えられた信号が水平信号線１９
を介して出力回路２２に出力される（タイミングｔ
３）。次に、リセットパルスφＲに応答して再びリセッ
トスイッチトランジスタ２４がオン状態になることで、
出力回路２２がリセットされる（タイミングｔ４）。次
いで、Ｎ＋１番目の水平スイッチトランジスタ１８n+1
がオン状態となり、負荷容量１７n+1 に蓄えられた信号
が出力回路２２に出力される（タイミングｔ５）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の駆動方法における信号読み出し動作では、Ｎ番
目の水平スイッチトランジスタ１８n とＮ＋１番目の水
平スイッチトランジスタ１８n+1 とでそれらの閾値電圧
Ｖthが互いに異なることから、たとえＮ番目の負荷容量
１７n とＮ＋１番目の負荷容量１７n+1 とにそれぞれ蓄
えられた信号が同一であったとしても、水平信号線１９
を介して出力回路２２に出力される信号電圧はＶthバラ
ツキに起因してわずかに異なったものとなる。

【０００６】すなわち、図６の各タイミングにおける水
平スイッチトランジスタ１８n のポテンシャルを示す図
７において、水平スイッチトランジスタ１８n のゲート
電圧φＨn が０≦φＨn ≦Ｖthの期間（タイミングｔ１
〜ｔ２）では、水平信号線１９の電位が水平スイッチト
ランジスタ１８n のゲート電極と水平信号線１９に接続
されたソースとの間に形成される容量Ｃg-hlによって変
動する。この電位変動分ΔＶ１は、水平信号線１９の全
体容量をＣhlとすると、

【数１】 となる。

【０００７】また、水平スイッチトランジスタ１８n の
ゲート電圧φＨn がＶth＜φＨn ≦５Ｖ（ハイレベル）
の期間では（タイミングｔ２〜ｔ３）、水平信号線１９
の電位が水平スイッチトランジスタ１８n のゲート電極
とドレイン、ソースおよびチャネル間に形成される各容
量Ｃg-c 、Ｃg-hlおよびＣg-s によって変動する。この
電位変動分ΔＶ２は、水平信号線１９の全体容量Ｃhlと
負荷容量１７n の加算容量をＣt 、水平スイッチトラン
ジスタ１８n のゲート電極とドレイン・ソース・チャネ
ル間の総容量をＣgt（＝Ｃg-c ＋Ｃg-hl＋Ｃg-s ）とす
ると、

【数２】 となる。

【０００８】上述したことから明らかなように、水平ス
イッチトランジスタ１８（…，１８n,１８n+1,…）がオ
ン状態となったときの水平信号線１９の電位が各トラン
ジスタの閾値電圧Ｖthのバラツキに起因して変動するこ
とから、水平信号線１９を介して出力回路２２に出力さ
れる信号電圧は垂直列ごとにわずかに異なったものとな
る。これにより、出力回路２２の出力電圧Ｖｏｕｔは、
タイミングｔ３およびタイミングｔ５では、容量結合に
よる電位変動を受けたものとなり、そのレベルにバラツ
キが生じる。

【０００９】したがって、外部の信号処理回路（図示せ
ず）において、サンプリングパルスφＳの周期のそれぞ
れのタイミング（ｔ１，ｔ３，ｔ４，ｔ５，…）でその
ときの出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリングし、かつタイミ
ングｔ１とタイミングｔ３での出力電圧Ｖｏｕｔの差
分、タイミングｔ４とタイミングｔ５での出力電圧Ｖｏ
ｕｔの差分、……をとり、これを映像信号として出力し
た場合、モニター画面上に、水平スイッチトランジスタ
１８（…，１８n,１８n+1,…）の各閾値電圧Ｖthのバラ
ツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズが発生する
という問題があった。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、水平スイッチトラン
ジスタの閾値電圧Ｖthが各トランジスタごとに異なるこ
とに起因する縦筋状の固定パターンノイズの発生を抑制
することが可能な固体撮像素子の駆動方法を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による駆動方法
は、複数個の画素部と、これら画素部で発生する信号を
一旦蓄積する複数個の容量と、これら容量に蓄積された
信号を転送する複数個のスイッチ素子と、これらスイッ
チ素子から信号を受けて外部に出力する出力部とを備え
た固体撮像素子において、複数個の容量に一旦蓄積され
た信号を出力部に転送する際に、上記スイッチ素子を一
旦導通状態にした後不導通状態にし、その不導通状態の
ときに得られる出力部からの出力信号を画素信号として
読み出すようにする。そして、この駆動方法が適用され
る固体撮像素子を用いてビデオカメラを構成する。

【００１２】上記構成の固体撮像素子において、スイッ
チ素子を一旦導通状態にする際に、スイッチ素子におけ
る結合容量の影響によって信号線の電位が大きくなる方
向に変動する。一方、スイッチ素子が導通状態から不導
通状態に戻る際には、逆方向に結合容量の影響を受け
る。これにより、信号線の電位変動分が打ち消される。
その結果、出力部からは、容量結合による電位変動を受
けない出力信号が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明が
適用される増幅型固体撮像素子の一例を示す構成図であ
る。図１において、ＭＯＳ構造の複数個の画素トランジ
スタ１１が２次元状に配置されている。なお、図面に
は、ｍ行，ｎ列の画素トランジスタを（Ｐm,n)と示して
いる。これら画素トランジスタ１１において、各ゲート
電極が行単位で垂直選択線１２に接続され、各ソース電
極が列単位で垂直信号線１３に接続されている。また、
各ドレイン電極には、ドレインスイッチであるＮｃｈＭ
ＯＳトランジスタ１４を介して電源電圧ＶＤが選択的に
供給される。垂直選択線１２には、垂直走査しつつ各ラ
インごとに画素情報を順に読み出す垂直スキャナ１５か
ら所望のクロック電圧φＶ（…，φＶm,φＶm+1,…）が
印加される。

【００１４】一方、垂直信号線１３の一端には、各垂直
列ごとに配された動作スイッチであるＮｃｈＭＯＳトラ
ンジスタ（以下、動作スイッチトランジスタと称する）
１６（…，１６n,１６n+1,…）のドレイン電極が接続さ
れている。この動作スイッチトランジスタ１６のソース
電極は負荷容量１７（…，１７n,１７n+1,…）を介して
接地されており、そのゲート電極には動作パルスφＯＰ
が印加される。また、動作スイッチトランジスタ１６の
ソース電極には、水平スイッチであるＮｃｈＭＯＳトラ
ンジスタ（以下、水平スイッチトランジスタと称する）
１８（…，１８n,１８n+1,…）が接続されている。これ
ら水平スイッチトランジスタ１８の各ソース電極は水平
信号線１９に接続され、そのゲート電極は水平選択線２
０に接続されている。

【００１５】水平選択線２０は、水平スキャナ２１に接
続されている。水平信号線１９の一端には出力回路２２
の入力端が接続されている。出力回路２２は、水平信号
線１９の一端に反転（−）入力端が接続され、非反転
（＋）入力端に所定の電圧ＶＢが印加された反転増幅器
２３と、この反転増幅器２３の反転入力端と出力端との
間に接続され、ゲート電極にリセットパルスφＲが印加
されるリセットスイッチであるＮｃｈＭＯＳトランジス
タ（以下、リセットスイッチトランジスタと称する）２
４と、このリセットスイッチトランジスタ２４と並列に
接続された検出容量２５とから構成され、反転増幅器２
３の出力端が回路出力端子２６に接続されている。

【００１６】次に、上記構成の増幅型固体撮像素子にお
ける本発明の駆動方法につき、図２のタイミングチャー
トに基づいて説明する。なお、図３には水平スイッチト
ランジスタ１８n(又は、１８n+1)における結合容量を、
図４には図２の各タイミングにおける水平スイッチトラ
ンジスタ１８n のポテンシャルをそれぞれ示す。図３に
おいて、Ｃg-c はゲート電極と負荷容量１７に接続され
たドレイン（Ｄ）との間に形成される容量、Ｃg-hlはゲ
ート電極と水平信号線１９が接続されたソースとの間に
形成される容量、Ｃg-s はゲート電極とチャネルとの間
に形成される容量である。

【００１７】先ず、水平ブランキング期間において、１
ライン分（１行分）の画素トランジスタ１１の各信号
が、動作パルスφＯＰに応答してオン状態になる動作ス
イッチトランジスタ１６（…，１６n,１６n+1,…）を介
して各垂直列ごとに負荷容量１７（…，１７n,１７n+1,
…）に一旦蓄えられる（タイミングｔ０）。その後の水
平有効期間において、各負荷容量１７に蓄えられた信号
が順次出力回路２２に読み出される。このとき、先ず、
リセットパルスφＲに応答してリセットスイッチトラン
ジスタ２４がオン状態になることによって出力回路２２
がリセットされる（タイミングｔ１）。

【００１８】次に、Ｎ番目の水平スイッチトランジスタ
１８n が導通し始める過渡期において、水平スイッチト
ランジスタ１８n のゲート電圧φＨn が０≦φＨn ≦Ｖ
th1（Ｖth1 はＮ番目の水平スイッチトランジスタ１８n
の閾値電圧）である期間では、水平信号線１９は水平
スイッチトランジスタ１８n のゲート電極と水平信号線
１９に接続されたソースとの間に形成される容量Ｃg-hl
により電位が大きくなる方向に変動する。この結合容量
による水平信号線１９の電位変動分ΔＶ１は、水平信号
線１９の全体容量をＣhlとすると、

【数３】 となる。

【００１９】そして、水平スイッチトランジスタ１８n
のゲート電圧φＨn が水平スイッチトランジスタ１８n
の閾値電圧Ｖth1 に達し（タイミングｔ２）、引き続き
Ｖth1 ＜φＨn ≦５Ｖ（ハイレベル）になるまでの期間
では、水平信号線１９は水平スイッチトランジスタ１８
n のゲート電極とドレイン、ソースおよびチャネル間に
形成される各容量Ｃg-c 、Ｃg-hlおよびＣg-s により電
位が大きくなる方向に変動する。そして、φＨn ＝５Ｖ
となることで、水平スイッチトランジスタ１８n が十分
にオン状態となる（タイミングｔ３）。このように、タ
イミングｔ３における出力電圧Ｖｏｕｔはこれらの結合
容量の影響を受けたものとなる。

【００２０】この結合容量による水平信号線１９の電位
変動分ΔＶ２は、水平信号線１９の全体容量Ｃhlと負荷
容量１７ｎの加算容量をＣt 、水平スイッチトランジス
タ１８ｎのゲート電極とドレイン・ソース・チャネル間
の総容量をＣgt（＝Ｃg-c ＋Ｃg-hl＋Ｃg-s ）とする
と、

【数４】 となる。

【００２１】続いて、Ｎ番目の水平スイッチトランジス
タ１８n のゲート電圧φＨn が再び閾値電圧Ｖth1 とな
り（タイミングｔ４）、その後０ＶになることでＮ番目
の水平スイッチトランジスタ１８n がオフ状態となる
（タイミングｔ５）。このＮ番目の水平スイッチトラン
ジスタ１８n がオフとなるタイミングｔ５においては、
前述とは逆方向に結合容量の影響を受け、結果として、
前述の出力電圧Ｖｏｕｔの電位変動分が打ち消されるこ
とになる。つまり、タイミングｔ５における出力電圧Ｖ
ｏｕｔは、結合容量による電位変動は受けないものとな
る。このことは、すぐ後で述べるように、各水平スイッ
チトランジスタ１８（…，１８n,１８n+1,…）の閾値電
圧（Ｖth1,Ｖth2,…）が各トランジスタごとに異なるこ
とに起因する縦筋状の固定パターンノイズの発生を抑制
する効果をもたらす。

【００２２】次に、タイミングｔ６において、リセット
パルスφＲに応答してリセットスイッチトランジスタ２
４が再びオン状態になることにより、水平信号線１９が
再リセットされる。さらに、Ｎ＋１番目の水平スイッチ
トランジスタ１８n+1 が導通し始める過渡期において、
水平スイッチトランジスタ１８n+1 のゲート電圧φＨn+
1 が０≦φＨn+1 ≦Ｖth2 （Ｖth2 はＮ＋１番目の水平
スイッチトランジスタ１８n+1 の閾値電圧）の期間で
は、水平信号線１９は水平スイッチトランジスタ１８n+
1 のゲート電極と水平信号線１９に接続されたソースと
の間に形成される容量Ｃg-hlにより電位が大きくなる方
向に変動する。そして、タイミングｔ７で水平スイッチ
トランジスタ１８n+1 のゲート電圧φＨn+1 が閾値電圧
Ｖth2 に達する。

【００２３】引き続き、水平スイッチトランジスタ１８
n+1 のゲート電圧φＨn+1 がＶth2＜φＨn+1 ≦５Ｈ
（ハイレベル）になるまでの期間では、水平信号線１９
は水平スイッチトランジスタ１８n+1 のゲート電極とド
レイン、ソースおよびチャネル間に形成される各容量Ｃ
g-c 、Ｃg-hlおよびＣg-s により電位が大きくなる方向
に変動する。そして、φＨn+1 ＝５Ｖとなることで、水
平スイッチトランジスタ１８n+1 が十分にオン状態とな
る（タイミングｔ８）。このように、タイミングｔ８に
おける出力電位Ｖｏｕｔはこれらの結合容量の影響を受
けたものとなる。しかし、Ｎ＋１番目の水平スイッチト
ランジスタ１８n+1 がオフとなるタイミングｔ９におい
ては、前述とは逆方向に結合容量の影響を受け、結果と
して、前述の出力の電位変動分が打ち消されることにな
る。

【００２４】上述したように、負荷容量１７（…，１７
n,１７n+1,…）に一旦蓄積した信号を出力回路２２に転
送する際に、水平スイッチトランジスタ１８（…，１８
n,１８n+1,…）を一旦導通状態（図２のタイミングｔ
１，ｔ６，…）にした後不導通状態（図２のタイミング
ｔ５，ｔ９，…）にし、その不導通状態のときに得られ
る出力回路２２からの出力電圧Ｖｏｕｔを画素信号とし
て取り出すことにより、容量結合による電位変動を受け
ない出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

【００２５】なお、本発明は、上述したＭＯＳ構造の増
幅型固体撮像素子への適用に限定されるものではなく、
ＣＭＤ(Charge Modulation Device)、ＢＡＳＩＳ(Base
Stored Image Senser)、ＢＣＭＤ(Bulk Charge Modulat
ed Device)等の他の増幅型固体撮像素子、更にはフォト
ダイオードとＭＯＳトランジスタの組み合わせで画素部
を構成したＭＯＳ型増幅素子など、画素部で発生する信
号を一旦ホールドした後出力部を介して外部へ出力する
構成の固体撮像素子全般に適用可能である。

【００２６】図５は、本発明による駆動方法が適用され
た増幅型固体撮像素子を用いたビデオカメラの一例を示
す概略構成図である。図５において、上記構成の増幅型
固体撮像素子５１の受光面には、レンズ５２などを含む
光学系によって入射光が導かれる。増幅型固体撮像素子
５１は、駆動回路５３によりタイミングジェネレータ５
４から発生される各種のタイミング信号に基づいて駆動
される。この増幅型固体撮像素子５１からは、図２に示
す出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。この出力電圧Ｖｏｕ
ｔは、信号処理回路５５に供給される。

【００２７】信号処理回路５５は、リセットノイズを低
減するためのＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）
などによって構成されている。このＣＤＳ回路は、タイ
ミングジェネレータ５４から供給されるサンプリングパ
ルスφＳによって動作する。すなわち、図２のタイミン
グチャートにおいて、サンプリングパルスφＳの周期の
それぞれのタイミング（ｔ１，ｔ５，ｔ６，ｔ９，…）
でそのときの出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリングし、タイ
ミングｔ１とタイミングｔ５での出力電圧Ｖｏｕｔの差
分、タイミングｔ６とタイミングｔ９での出力電圧Ｖｏ
ｕｔの差分、……を得てこれを映像信号として出力す
る。

【００２８】このように、容量結合による電位変動を受
けない出力電圧Ｖｏｕｔを得ることが可能な増幅型固体
撮像素子５１を用い、その出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリ
ングパルスφＳに基づいて信号処理を行うことにより、
水平スイッチトランジスタ１８の閾値電圧（Ｖth1,Ｖth
2,…）が各トランジスタごとに異なることに起因する縦
筋状の固定パターンノイズの発生を抑えることができ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画素部で発生する信号を一旦容量に蓄積した後出力部を
介して外部に出力する構成の固体撮像素子において、一
旦蓄積された信号を出力部に転送する際に、その転送す
るスイッチ素子を一旦導通状態にした後不導通状態に
し、その不導通状態のときに得られる出力部からの出力
信号を画素信号として読み出すようにしたことにより、
容量結合による電位変動を受けない出力電圧Ｖｏｕｔを
得ることができるので、スイッチ素子の閾値電圧が各ス
イッチ素子ごとに異なることに起因する縦筋状の固定パ
ターンノイズの発生を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される増幅型固体撮像素子の一例
の構成図である。

【図２】本発明に係るタイミングチャートである。

【図３】水平スイッチトランジスタにおける結合容量を
示す図である。

【図４】図２の各タイミングにおけるポテンシャル図で
ある。

【図５】本発明が適用される増幅型固体撮像素子を用い
たビデオカメラの一例を示す概略構成図である。

【図６】従来例に係るタイミングチャートである。

【図７】図６の各タイミングにおけるポテンシャル図で
ある。

【符号の説明】

１１ 画素トランジスタ １５
垂直スキャナ １６n,１６n+1 動作スイッチトランジスタ １７n,
１７n+1 負荷容量 １８n,１８n+1 水平スイッチトランジスタ ２１
水平スキャナ ２２ 出力回路 ５１
増幅型固体撮像素子 ５４ タイミングジェネレータ ５５
信号処理回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の画素部と、これら画素部で発生
   する信号を一旦蓄積する複数個の容量と、これら容量に
   蓄積された信号を転送する複数個のスイッチ素子と、こ
   れらスイッチ素子から信号を受けて外部に出力する出力
   部とを備えた固体撮像素子において、 前記複数個の容量に一旦蓄積された信号を前記出力部に
   転送する際に、前記スイッチ素子を一旦導通状態にした
   後不導通状態にし、 その不導通状態のときに得られる前記出力部からの出力
   信号を画素信号として読み出すことを特徴とする固体撮
   像素子の駆動方法。
2. 【請求項２】 複数個の画素部と、これら画素部で発生
   する信号を一旦蓄積する複数個の容量と、これら容量に
   蓄積された信号を転送する複数個のスイッチ素子と、こ
   れらスイッチ素子から信号を受けて外部に出力する出力
   部とを備え、前記複数個の容量に一旦蓄積された信号を
   前記出力部に転送する際に、前記スイッチ素子を一旦導
   通状態にした後不導通状態にし、その不導通状態のとき
   に得られる前記出力部からの出力信号を画素信号として
   読み出す固体撮像素子と、 前記固体撮像素子の受光面に対して入射光を導く光学系
   と、 前記固体撮像素子の出力信号に対して所定の信号処理を
   行う信号処理回路と、 前記信号処理回路に対して所定のタイミング信号を与え
   るタイミングジェネレータとを備えたことを特徴とする
   ビデオカメラ。