JPH11215438A

JPH11215438A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH11215438A
Application number: JP10013750A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hashiguchi; 和夫橋口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直信号線毎にアンプを設けたＭＯＳ型撮像
素子において、該アンプのオフセット電圧ばらつきによ
る固定パターン雑音の発生を抑え、高画質な画像を得る
ことを目的とする。【解決手段】光電変換手段からの光電変換信号を帰還
容量Ｃを有する反転アンプ２１で増幅する固体撮像素子
であって、反転アンプ２１は、第１の出力端と第２の出
力端とを反転アンプ２１の出力側から順に有し、帰還容
量Ｃの一方は、第２の出力端に接続され、基準電圧Ｖｒ
ｅｆを第２の出力端に接続した状態で、かつ第１の出力
端が非接続状態で、反転アンプの入力端と第１の出力端
とを短絡してから非接続状態にし、基準電圧を第２の出
力端に接続した状態を非接続状態にすると共に第１の出
力端と第２の出力端とを接続するリセット動作をして光
電変換信号を増幅することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像入力装置に関
し、特にコンピュータなどへの画像情報を入力するのに
用いる固体撮像素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像情報を取り扱うには、画像情報であ
る光信号を電気信号に変換する画像入力装置が必要であ
る。画像入力装置の一つとしての固体撮像素子には、フ
ォトダイオードとこのフォトダイオードで光電変換され
た電気信号を順次読み出す信号読み出し用トランジスタ
を設けたＭＯＳ型撮像素子と、フォトダイオードと信号
電荷の転送を行うＣＣＤからなるＣＣＤ型撮像素子とが
ある。前者は、各画素のほとんどの部分を有効な受光部
であるフォトダイオードにできる反面、画素選択時に発
生するスイッチング雑音により画質を損ねる問題があっ
て、実用化にあたってはＣＣＤ型撮像素子が主流となっ
ていた。

【０００３】近年、撮像システムの高性能化に伴い固体
撮像素子も高精細化が必要となり、ＣＣＤ型撮像素子に
おいても多画素化が進んできた。しかし、ＣＣＤ型撮像
素子は画素をフォトダイオードとＣＣＤで構成している
ため、多画素化により一画素あたりの面積の減少の影響
が大きくなり取り扱える信号電荷量が減少するため、画
質の劣化が問題となり、これ以上の多画素化は困難な状
況となっている。

【０００４】このため、画素内部で信号読み出しに必要
となる面積が少ないＭＯＳ型撮像素子の特徴を生かし、
半導体加工技術の進展をもとに各画素毎に簡単なアンプ
を内蔵した増幅型撮像素子が検討されており、ＡＭＩ
（Amplified MOS IntelligentImager）、ＢＡＳＩＳ（B
ase Stored Image Sensor）、ＣＭＤ（Charge Modulati
on Device）など各種の方式が提案されている。また、
各垂直信号線毎にアンプを設けた増幅型撮像素子として
ＬＡＭ（Line Amplified MOS Imaging Device）が提案
されている。

【０００５】これらの増幅型撮像素子の場合、光電変換
部の面積ばらつきや各アンプの特性ばらつきにより固定
パターン雑音が発生し画質が低下する問題があり、固定
パターン雑音の低減の検討がなされている。

【０００６】各画素毎に増幅を行う素子の場合、画素内
のアンプは１トランジスタ程度の簡単な回路で構成して
いるため、例えばＣＭＤのように光電変換部が増幅用ト
ランジスタのゲート部を兼ねることで面積ばらつきによ
る特性ばらつきのみを相殺するような手法で対応してお
り、微細化が進めば増幅用トランジスタの微細化による
性能ばらつきが増大しさらなる画質劣化が予想される。

【０００７】一方、垂直信号線毎にアンプを設けた素子
の場合、寸法的に余裕があり回路的に固定パターン雑音
低減を行う手法として、例えば、１９９０年テレビジョ
ン学会技術報告Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．１６、ｐｐ２５〜
３０（尾崎他、「ライン増幅ＭＯＳ型固体撮像素子」）
において報告されている。

【０００８】以下、従来のＬＡＭの固体撮像素子を図４
乃至図６を用いて説明する。図４は、ＬＡＭの固体撮像
素子の平面構成を示し、図５は、図４の行アンプ４２の
内部回路を示し、図６は、図５の回路の動作タイミング
を示す。なお、図５及び図６では、各スイッチの開閉は
制御信号ｄ，ｅ，ｆにより行われる。

【０００９】図４に示すように、画素４１内の光電変換
部であるフォトダイオード４１ａは垂直選択トランジス
タ４１ｂを通して垂直信号線ＶＬに接続され、さらに垂
直信号線毎に設けた行アンプ４２に接続されている。フ
ォトダイオード４１ａは、初期状態でリセット動作によ
り初期電位に設定され、光積分時間に光電変換によって
発生した電荷がフォトダイオード４１ａに蓄積され、そ
の結果フォトダイオード４１ａの電位は下がっていく。

【００１０】このようにして取り込まれた画像情報の信
号読み出し動作は、以下のようになる。まず垂直信号線
ＶＬを後述するリセット動作によりリセット電位とす
る。その後、垂直走査回路４４の信号線Ｓにより選択さ
れた画素列の垂直選択トランジスタ４１ｂをオンして、
フォトダイオード４１ａに保持された信号電荷を垂直信
号線ＶＬに読み出し、行アンプ４２において電圧増幅さ
れる。

【００１１】次に、水平走査回路４５の水平信号線ＨＬ
により順次駆動される水平選択トランジスタ４３によ
り、各垂直信号線ごとに得られた出力信号を順次出力回
路４７に出力することになるが、ＬＡＭでは後述する相
関２重サンプリング動作を行うため、各垂直信号線毎に
信号電位とリセット電位の２つの信号を読み出し差動回
路４６において差分をとった後、出力回路４７に出力す
る。以上のように、垂直走査回路４４により線順次に選
択トランジスタ４１ｂをオンして、フォトダイオード４
１ａに保持された信号電荷が垂直信号線ＶＬに出され、
行アンプ４２において電圧増幅され、水平走査回路４５
により水平信号線ＨＬを順次駆動して出力することによ
り、画像情報を読み出すのである。

【００１２】次に、行アンプ４２のリセット動作と相関
２重サンプリング動作について図５と図６をもとに説明
する。反転アンプ５１の入力および出力を、リセットス
イッチＳＷをオンにして接続して短絡する。このとき反
転アンプ５１の入力は、ほぼ反転アンプ５１の所望の動
作点付近の電位となる。このとき反転アンプ５１の入力
に接続されている垂直信号線ＶＬも同電位となり、垂直
信号線ＶＬのリセットが完了する。従来のリセット動作
は、垂直信号線毎に設けたリセットトランジスタなどに
よって外部電源に接続するわけであるが、ＬＡＭでは行
アンプの動作範囲を考慮し、入出力を短絡して得られる
動作点電圧にしている。

【００１３】しかし、この動作点電圧は行アンプ４２を
構成している各トランジスタの諸特性のばらつきにより
異なるため、行アンプ４２のオフセット電圧がばらつ
き、得られる画像に縦線状の固定パターン雑音が混入し
著しく画質を劣化させる。

【００１４】このため、行アンプ４２の出力に相関２重
サンプリング回路を設けてその対策をしている。この相
関２重サンプリング回路は、リセット電位と信号電位の
ためのメモリ容量Ｃ_M，Ｃ_Rを２個用意し、行アンプ４２
のリセット時の出力とそれに重畳した信号出力を保持し
差動回路４６において差分することにより実現してい
る。これにより、上記行アンプ４２のオフセット電圧の
ばらつきを低減し、縦線状の固定パターン雑音による画
質の改善をはかっている。この具体的な動作は以下のよ
うになる。

【００１５】時刻ｔ１において、反転アンプ５１の入出
力がリセットスイッチＳＷで短絡され、反転アンプ５１
はリセット状態になり動作点電位となる。このとき同時
にリセットサンプルスイッチＳＷＲをオンにして、この
電位がメモリ容量Ｃ_Rに書き込まれ、時刻ｔ２におい
て、リセットサンプルスイッチＳＷＲがオフとなりメモ
リ容量Ｃ_Rが保持状態となる。こののちリセットスイッ
チＳＷがオフとなり、反転アンプ５１は動作状態とな
る。

【００１６】次に、時刻ｔ３において、信号サンプルス
イッチＳＷＭをオンにすると共に、垂直走査回路４４の
信号線Ｓ（信号ｓ）により垂直選択トランジスタ４１ｂ
がオンになり反転アンプ５１に入力され、その出力が信
号サンプルスイッチＳＷＭを通りメモリ容量Ｃ_Mに書き
込まれ、さらに時刻ｔ４において、垂直選択トランジス
タ４１ｂがオフとなりメモリ容量Ｃ_Mが保持状態とな
る。

【００１７】水平走査時に、この２つの信号を２つの信
号線に読み出し、差動回路４６にて差分を行ったのち出
力回路４７より出力する。以下、同様にして、リセット
動作をしてから垂直走査回路４４により次の画素列を選
択して各行アンプ４２に読み出し（時刻ｔ１’〜ｔ
４’）、水平走査回路４５により順次出力回路４７に読
み出す。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ように垂直信号線毎に反転アンプだけでなく相関２重サ
ンプリングのためにメモリ容量とスイッチトランジスタ
を付加する必要が生じる。固体撮像素子の行アンプの回
路の水平方向のピッチは基本的には画素ピッチで決定さ
れるが、性能向上のためにはメモリ容量を画素容量より
充分大きくとる必要があり、容量の面積が大きくなる。
このため行アンプは垂直方向に細長いレイアウトになり
チップ寸法の増大を招くだけでなく、画素のさらなる高
密度化を困難にするという問題点がある。

【００１９】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、簡単
な回路構成でアンプのオフセット電圧のばらつきを防止
して、高画質な画像を得ることができる固体撮像素子を
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の固体撮像
素子は、光電変換手段からの光電変換信号を帰還容量を
有するアンプで増幅する固体撮像素子であって、上記ア
ンプは、第１の出力端と第２の出力端とを上記アンプの
出力側から順に有し、上記帰還容量の一方は、第２の出
力端に接続され、基準電圧を第２の出力端に接続した状
態で、かつ第１の出力端が非接続状態で、上記アンプの
入力端と第１の出力端とを短絡してから非接続状態に
し、その後基準電圧を第２の出力端に接続した状態を非
接続状態にすると共に第１の出力端と第２の出力端とを
接続するリセット動作をして上記光電変換信号を増幅す
ることを特徴とする。

【００２１】請求項２記載の固体撮像素子は、請求項１
記載の固体撮像素子において、上記光電変換信号を保持
するメモリ容量を第２の出力端より出力側に有し、上記
リセット動作中は、第２の出力端と上記メモリ容量とを
非接続にすることを特徴とする。

【００２２】請求項３記載の固体撮像素子は、請求項１
記載の固体撮像素子において、上記光電変換信号を保持
するメモリ容量を第２の出力端より出力側に有し、上記
リセット動作後は、第２の出力端と上記メモリ容量とを
接続することを特徴とする。

【００２３】請求項４記載の固体撮像素子は、請求項１
記載の固体撮像素子において、上記光電変換手段を選択
するタイミングと上記アンプの入力端と第１の出力端と
を短絡するタイミングとを同タイミングで行うことを特
徴とする。

【００２４】請求項５記載の固体撮像素子は、請求項１
記載の固体撮像素子において、上記光電変換手段は、２
次元状に設けられ、上記光電変換手段を線順次に選択す
る垂直走査手段が設けられ、上記アンプは、上記垂直走
査手段により選択された光電変換手段からの光電変換信
号を出力する垂直信号線ごとに設けられていることを特
徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明を固体撮像素子の行アンプ
に適応した場合の実施の形態について図１乃至図３を用
いて説明する。図１は、本実施の形態に係るＬＡＭの固
体撮像素子の平面構成を示し、図２は、図１の行アンプ
２に用いるオフセット電圧抑圧型アンプの回路を示し、
図３は、図２の回路の動作タイミングを示す。

【００２６】図１において、フォトダイオード１ａと垂
直選択トランジスタ１ｂとからなる画素１が２次元状に
配設され、これらの画素からの光電変換信号を垂直信号
線ＶＬを介して入力する行アンプ２、及び行アンプ２か
らの信号読み出しのための水平選択トランジスタ３が水
平方向に配設され、垂直走査回路４は、垂直選択トラン
ジスタ１ｂのゲートに接続された信号線Ｓを線順次に選
択し、水平走査回路５は、水平選択トランジスタ３のゲ
ートに接続された水平信号線ＨＬを順次選択して行アン
プ２に保持された信号を出力回路６に出力してインピー
ダンス変換して出力する。

【００２７】この固体撮像素子の動作は、以下のように
なる。フォトダイオード１ａは、初期状態で後述するリ
セット動作により初期電圧に設定される。光積分時間に
光電変換によって発生した電荷がフォトダイオード１ａ
に蓄積され、その結果フォトダイオード１ａの電位は下
がっていく。次に、このようにして得られた信号の読み
出し動作は、垂直走査回路４により選択された画素列の
各選択トランジスタ１ｂがオンすることにより、フォト
ダイオード１ａに保持された信号電荷を各垂直信号線Ｖ
Ｌに出力し、各行アンプ２において電圧増幅される。

【００２８】次に、各行アンプ２に読み出された信号
は、水平走査期間において、水平走査回路５により駆動
される水平選択トランジスタ３を順次オンして、各垂直
信号線ＶＬごとに得られた出力信号を出力回路６に接続
して順次出力する。

【００２９】この信号読み出し時に、垂直信号線ＶＬと
反転アンプとをリセットするとともに、選択された画素
列のフォトダイオード１ａの電位についてもリセットす
る。これらのリセットの様子を、次に説明する。図２の
各スイッチは、例えば、ＭＯＳトランジスタであり、図
示しない制御手段からの制御クロック信号ａ，ｂ，ｃに
より開閉や切換が行われる。なお、図２に示すように、
便宜上出力切り替えスイッチＳＷ１の反転アンプ２１側
を第１の出力端とし、他端を第２の出力端とするが、同
電位であればこの箇所に限定されない。

【００３０】時刻Ｔ１において、画素１からの信号読み
出しは、信号サンプルスイッチＳＷ２をオンすると共に
信号線Ｓ（信号ｓ）により垂直選択スイッチトランジス
タ１ｂをオンしてフォトダイオード１ａの信号を垂直信
号線ＶＬを介して反転アンプ５１に入力させ、メモリ容
量Ｃ_Mに書き込む。さらに、信号サンプルスイッチＳＷ
２をオフにし、読み出した信号電位をメモリ容量Ｃ_Mに
保持する。なお、メモリ容量Ｃ_Mに保持された信号は、
水平走査期間中に水平走査回路５により順次選択された
水平選択トランジスタ３を通り出力される。

【００３１】時刻Ｔ２において、リセットスイッチＳＷ
をオン、出力切り替えスイッチＳＷ１を基準電位（Ｖｒ
ｅｆ）になるよう接続する。このとき反転アンプ２１の
入出力端が短絡され、入出力端は、このアンプ固有のオ
フセット電圧Ｖｏｆｆとなる。このようにして反転アン
プ２１のリセット動作を行う。なお、本実施の形態で
は、垂直選択スイッチトランジスタ１ｂをオンした状態
で垂直信号線ＶＬと反転アンプ２１のリセット動作を行
っているので、フォトダイオード１ａのリセットも同時
に行うことができ好都合であるが、垂直選択スイッチト
ランジスタ１ｂをオフした状態で垂直信号線ＶＬと反転
アンプ２１のリセット動作を行ってもよい。

【００３２】時刻Ｔ３において、リセットスイッチＳＷ
をオフして非接続にすると、反転アンプ２１の入力端の
電位は、前記オフセット電圧Ｖｏｆｆにリセットスイッ
チＳＷのトランジスタの寄生容量から混入したリセット
クロックのフィードスルー成分が加算された電位（Ｖｏ
ｆｆ’）となり、この帰還容量Ｃに、この電位差（Ｖｒ
ｅｆ−Ｖｏｆｆ’）に相当した電荷が蓄えられる。

【００３３】さらに、時刻Ｔ４において、出力切り替え
スイッチＳＷ１を反転アンプ２１の出力側（第１の出力
端）に切り替え、反転アンプ２１の入力端電位はＶｏｆ
ｆ’、出力端電位はＶｒｅｆでリセットされる。その結
果、反転アンプ２１の出力電圧には、プロセスばらつき
等による反転アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆやク
ロックフィードスルー成分の影響が出ない状態となって
いる。なお、反転アンプ２１は、出力オフセットの調整
可能な高性能な演算増幅器だけでなく簡単なＭＯＳイン
バータを用いることもできる。

【００３４】以下同様にして、時刻Ｔ１’〜Ｔ４’にお
いて、垂直走査回路４により次の画素列を選択して各行
アンプに読み出しリセット動作を行い、水平走査回路５
により順次走査して画像情報を読み出すのである。

【００３５】このように、垂直信号線毎に行アンプを設
けたＭＯＳ型撮像素子において、そのアンプにオフセッ
ト電圧抑圧型アンプを用いることにより、行アンプを構
成している各トランジスタの諸特性のばらつきにより動
作電位がばらついたとしても出力電圧はばらつかないた
め、複雑な回路構成なしに固定パターン雑音の発生を抑
え、撮像素子の画質向上が図れる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、光電変換信号を増幅す
るアンプのオフセット電圧のばらつきを簡単な回路で抑
圧することができ、固体撮像素子のチップ面積の増大を
抑えつつ高画質な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る２次元固体撮像素子の構成
を示す図である。

【図２】本実施の形態に係る行アンプの等価回路を示す
図である。

【図３】図２の等価回路の駆動タイミングを示す図であ
る。

【図４】従来の２次元固体撮像素子の構成を示す図であ
る。

【図５】従来の行アンプの等価回路を示す図である。

【図６】図５の等価回路の駆動タイミングを示す図であ
る。

【符号の説明】

画素１行アンプ２水平選択トランジスタ３垂直走査回路４水平走査回路５反転アンプ２１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換手段からの光電変換信号を帰還
容量を有するアンプで増幅する固体撮像素子であって、上記アンプは、第１の出力端と第２の出力端とを上記ア
ンプの出力側から順に有し、上記帰還容量の一方は、第２の出力端に接続され、基準電圧を第２の出力端に接続した状態で、かつ第１の
出力端が非接続状態で、上記アンプの入力端と第１の出
力端とを短絡してから非接続状態にし、その後基準電圧
を第２の出力端に接続した状態を非接続状態にすると共
に第１の出力端と第２の出力端とを接続するリセット動
作をして上記光電変換信号を増幅することを特徴とする
固体撮像素子。
【請求項２】請求項１記載の固体撮像素子において、上記光電変換信号を保持するメモリ容量を第２の出力端
より出力側に有し、上記リセット動作中は、第２の出力
端と上記メモリ容量とを非接続にすることを特徴とする
固体撮像素子。
【請求項３】請求項１記載の固体撮像素子において、上記光電変換信号を保持するメモリ容量を第２の出力端
より出力側に有し、上記リセット動作後は、第２の出力
端と上記メモリ容量とを接続することを特徴とする固体
撮像素子。
【請求項４】請求項１記載の固体撮像素子において、上記光電変換手段を選択するタイミングと上記アンプの
入力端と第１の出力端とを短絡するタイミングとを同タ
イミングで行うことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】請求項１記載の固体撮像素子において、上記光電変換手段は、２次元状に設けられ、上記光電変
換手段を線順次に選択する垂直走査手段が設けられ、上
記アンプは、上記垂直走査手段により選択された光電変
換手段からの光電変換信号を出力する垂直信号線ごとに
設けられていることを特徴とする固体撮像素子。