JPWO2006090565A1 - 固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
MOS型の固体撮像装置において、n行目の画素セルにおいて、電荷保持部305に保持されている信号電荷をリセットするために、リセットトランジスタのゲート電極に入力されるリセットパルスをHi電位にする。この状態で、基準電圧源VDDCELLをLo電位にするとカップリング容量308によりリセットパルスnがLo電位に近づく。その後、リセットパルスnがHi電位に復帰した後、リセットパルスnをLo電位にする。
Description
本発明は、固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置に関し、特に、小型、高画素化したMOS型の固体撮像装置のダイナミックレンジの低下を抑制する技術に関する。
近年、普及が著しい固体撮像装置には、CCD型とMOS型との2種類があり、特にMOS型の固体撮像装置は高感度、低消費電力等、多くの利点があり、有望視されている。
MOS型の固体撮像装置について簡単に説明する(例えば、特許文献1参照)。
図1は、従来技術に係るMOS型の固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。
図1に示されるように、固体撮像装置1は、撮像部、負荷回路、行走査回路、信号処理部及び列走査回路からなる。また、撮像部は複数の画素セル10を備え、個々の画素セル10は光電変換素子101、リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104、電荷保持部105及び出力部106を備える。
MOS型の固体撮像装置について簡単に説明する(例えば、特許文献1参照)。
図1は、従来技術に係るMOS型の固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。
図1に示されるように、固体撮像装置1は、撮像部、負荷回路、行走査回路、信号処理部及び列走査回路からなる。また、撮像部は複数の画素セル10を備え、個々の画素セル10は光電変換素子101、リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104、電荷保持部105及び出力部106を備える。
リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103及び増幅トランジスタ104はMOS−FET(MOS Field Effect Transistor)である。また、電荷保持部105は、回路図上では単なる接続点であるが、集積回路内ではPN接合部に相当し、一定の電荷を保持することができる。
各画素セルは、行走査回路からのリードパルス及びリセットパルスにより1行毎に順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。信号処理部が処理した画素信号は、列走査回路からの走査パルスにより1列毎に出力される。
各画素セルは、行走査回路からのリードパルス及びリセットパルスにより1行毎に順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。信号処理部が処理した画素信号は、列走査回路からの走査パルスにより1列毎に出力される。
次に、固体撮像装置1の動作について説明する。図2は、固体撮像装置1の動作を示すタイミングチャートである。図2に示されるように、n行目の画素セル10が選択されている場合、先ず、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これによって、電荷保持部105の電位がVDDCELLのHi電位になると、それに応じた電位が増幅トランジスタ104の出力部106から出力されて出力信号線の電位が上昇する。(図2、a点)。
次に、リセットパルスnがLo電位となりリセットトランジスタ103がOFF状態となる。この間、電荷保持部105は、Hi電位を保つ(図2、b点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ102がON状態となる。これにより、光電変換素子101に光情報に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部105に読み出され、その結果、電荷保持部105の電位が降下する。電荷保持部105の電位の降下に応じて、増幅トランジスタ104の出力部106の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図2、c点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ102がON状態となる。これにより、光電変換素子101に光情報に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部105に読み出され、その結果、電荷保持部105の電位が降下する。電荷保持部105の電位の降下に応じて、増幅トランジスタ104の出力部106の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図2、c点)。
次に、リードパルスnがLo電位となりリードトランジスタ102がOFF状態となる(図2、d点)。信号処理部は、b点での出力信号線の電位とd点での出力信号線の電位とを検出し、その電位差を画素信号として測定する。その後、VDDCELLがLo電位となる(図2、d´点)。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これにより、電荷保持部105の電位がVDDCELLのLo電位になり、増幅トランジスタ104がOFF状態となる。以上により画素セル10の画素信号出力動作が終了する(図2、e点)、その後、n行は非選択行となり、n+1行が選択行となる(図2、f点)。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これにより、電荷保持部105の電位がVDDCELLのLo電位になり、増幅トランジスタ104がOFF状態となる。以上により画素セル10の画素信号出力動作が終了する(図2、e点)、その後、n行は非選択行となり、n+1行が選択行となる(図2、f点)。
このように、固体撮像装置1は、図2のa点において選択行の画素セル10にのみリセットパルスを与え、選択行の電荷保持部105の電位をHi電位にすることで、増幅トランジスタ104をON状態にして画素信号を出力させる。一方、非選択行の画素セル10の電荷保持部105の電位はLo電位に保たれるので、増幅トランジスタ104がOFF状態となり、画素信号は出力されない。
特開2003−046864号公報
固体撮像装置には高画素化や低消費電力化に対する強い要請があり、画素の小型化が必須となっている。また、固体撮像装置のフレームレートを維持しながら高画素化するためには、駆動周波数を高くしなければならない。例えば、5フレーム/秒のフレームレートを達成するためには、130万画素ならば駆動周波数を18MHzに、また、300万画素ならば駆動周波数を25MHzにしなければならない。
しかしながら、上記従来技術に係る固体撮像装置において、画素を小さくして高画素化したり駆動周波数を高めたりした場合にダイナミックレンジを大きくすると、出力信号線にノイズが重畳されるので、画素信号を正確に検出することができない。この結果、ダイナミックレンジが低下する、という問題がある。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、高画素化、高駆動周波数化しても、ダイナミックレンジが低下しない固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、高画素化、高駆動周波数化しても、ダイナミックレンジが低下しない固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を画素セル毎に備えたMOS型の固体撮像装置の駆動方法であって、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第1ステップと、第1ステップの後、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第2ステップと、第2ステップの後、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第3ステップと、第3ステップの後、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第4ステップと、第4ステップの後、基準電源から電圧保持部に接地電圧を供給している状態で、リセットトランジスタを開く第5ステップと、を含み、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給されることによって、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開くことを特徴とする。
このようにすれば、電荷保持部を確実にLo電位にすることができるので、基準電源が基準電圧に復帰しても出力信号線を基準電圧に保持することができる。従って、高画素化に伴って増大したカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。
この場合において、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に供給される電圧が基準電圧から接地電圧に変化してから、所定時間を経過した後にリセットトランジスタを開き、この所定時間は、リセットトランジスタ並びに増幅トランジスタと基準電圧源とを接続する信号線と、リセットトランジスタのゲート入力線との間にカップリング容量と、リセットトランジスタのゲート入力インピーダンスとの積に対応するとすれば好適である。
この場合において、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に供給される電圧が基準電圧から接地電圧に変化してから、所定時間を経過した後にリセットトランジスタを開き、この所定時間は、リセットトランジスタ並びに増幅トランジスタと基準電圧源とを接続する信号線と、リセットトランジスタのゲート入力線との間にカップリング容量と、リセットトランジスタのゲート入力インピーダンスとの積に対応するとすれば好適である。
また、本発明に係る固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素セルを備えるMOS型の固体撮像装置であって、画素セル毎に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を備え、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、次に、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、次に、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、次に、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、次に、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給され始めた後、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開くことを特徴とする。
このようにすれば、小型かつ高画素でかつダイナミックレンジの大きい固体撮像装置を得ることができる。
この場合において、リードトランジスタに入力するリードパルス信号と、リセットトランジスタに入力するリセットパルス信号と、を生成する行走査回路を備え、行走査回路は、何れもパルス信号であるクロック信号、リセット信号及びリード信号を出力するパルス生成部と、クロック信号の各パルスを画素セルの行毎に順次出力するシフトレジスタと、画素セルの行毎に、シフトレジスタの出力信号とリセット信号との論理積をリセットトランジスタのゲート電極に入力すると共に、シフトレジスタの出力信号とリード信号との論理積をリードトランジスタのゲート電極に入力するAND回路と、を備えるとすれば好適である。
この場合において、リードトランジスタに入力するリードパルス信号と、リセットトランジスタに入力するリセットパルス信号と、を生成する行走査回路を備え、行走査回路は、何れもパルス信号であるクロック信号、リセット信号及びリード信号を出力するパルス生成部と、クロック信号の各パルスを画素セルの行毎に順次出力するシフトレジスタと、画素セルの行毎に、シフトレジスタの出力信号とリセット信号との論理積をリセットトランジスタのゲート電極に入力すると共に、シフトレジスタの出力信号とリード信号との論理積をリードトランジスタのゲート電極に入力するAND回路と、を備えるとすれば好適である。
1、3………固体撮像装置
10、30……画素セル
101、301…光電変換素子
102、302…リードトランジスタ
103、303…リセットトランジスタ
104、304…増幅トランジスタ
105、305…電荷保持部
106、306…出力部
111、311…トランジスタ
10、30……画素セル
101、301…光電変換素子
102、302…リードトランジスタ
103、303…リセットトランジスタ
104、304…増幅トランジスタ
105、305…電荷保持部
106、306…出力部
111、311…トランジスタ
以下、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[1]固体撮像装置の構成
先ず、本実施の形態に係るMOS型の固体撮像装置の構成について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える。
[1]固体撮像装置の構成
先ず、本実施の形態に係るMOS型の固体撮像装置の構成について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える。
図3は、本実施の形態に係る固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。図3に示されるように、固体撮像装置3は行走査回路、負荷回路、撮像部、信号処理部及び列走査回路からなる。
撮像部は、多数の画素セル30が2次元配列されてなり、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。行走査回路は、リードパルス及びリセットパルスを撮像部に入力して、1行毎に画素信号を出力させる。
撮像部は、多数の画素セル30が2次元配列されてなり、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。行走査回路は、リードパルス及びリセットパルスを撮像部に入力して、1行毎に画素信号を出力させる。
本実施の形態において、画素信号とは、基準電位と信号電位との電位差に基づく信号である。ここで、基準電位とは、画素セル30における電源部(VDDCELL)のHi電位を電荷保持部305に与えたときに増幅トランジスタ304を通じて出力部306に出力される電位である。また、信号電位は、受光量に応じて光電変換素子301が放出した電子を電荷保持部305に与えたときに増幅トランジスタ304を通じて出力部306に出力される電位である。
なお、行走査回路が、リードパルスをリードトランジスタ302に入力すると基準電位が出力され、リセットパルスをリセットトランジスタ303に入力すると信号電位が出力される。
信号処理部は、基準電位と信号電位とを異なるタイミングで読み出して、その2時点における出力信号線の電位差により画素信号を得る。信号処理部は行毎に画素信号を受け付けると、信号処理して出力する。列操作回路は操作パルスを信号処理部に入力して、信号処理した画像信号を1列毎に出力させる。
信号処理部は、基準電位と信号電位とを異なるタイミングで読み出して、その2時点における出力信号線の電位差により画素信号を得る。信号処理部は行毎に画素信号を受け付けると、信号処理して出力する。列操作回路は操作パルスを信号処理部に入力して、信号処理した画像信号を1列毎に出力させる。
図4は、本実施の形態に係る行走査回路の構成を示すブロック図である。図4に示されるように、行走査回路4はパル生成部、シフトレジスタ及びAND回路からなり、撮像部に駆動パルスを入力する。
パルス生成部は、周期的なパルス信号であるクロック信号Clkを生成して、シフトレジスタに入力する。また、パルス生成部は、リード信号Readとリセット信号Resetとを生成して、AND回路に入力する。
パルス生成部は、周期的なパルス信号であるクロック信号Clkを生成して、シフトレジスタに入力する。また、パルス生成部は、リード信号Readとリセット信号Resetとを生成して、AND回路に入力する。
シフトレジスタは、クロック信号Clkに基づいてセル毎に出力信号Out1、Out2、・・・を順次生成して、AND回路の対応するセルに入力する。
AND回路は、セル毎に出力信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとり、出力信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとって、リードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・を撮像部の各行のリード信号線並びにリセット信号線に出力する。
AND回路は、セル毎に出力信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとり、出力信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとって、リードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・を撮像部の各行のリード信号線並びにリセット信号線に出力する。
撮像部の各画素セル30は、行走査回路からのリードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・によって順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。
図5は、行走査回路の動作を示すタイミングチャートである。図5に示されるように、パルス生成回路はクロック信号Clkの1パルスの期間内にリード信号Readを1パルスとリセット信号Resetを3パルス出力する。
図5は、行走査回路の動作を示すタイミングチャートである。図5に示されるように、パルス生成回路はクロック信号Clkの1パルスの期間内にリード信号Readを1パルスとリセット信号Resetを3パルス出力する。
すると、シフトレジスタはセル毎に出力信号Out1、Out2、・・・を順次出力する。AND回路は、セル毎に信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとってリードパルスRead1、Read2、・・・を生成し、信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとってリセットパルスReset1、Reset2、・・・を生成する。
従って、行走査回路は、パルス生成回路がAND回路に入力するリセット信号Resetのパルス幅を制御することによってリセットパルスReset1、Reset2、・・・のパルス幅を制御することができる。
従って、行走査回路は、パルス生成回路がAND回路に入力するリセット信号Resetのパルス幅を制御することによってリセットパルスReset1、Reset2、・・・のパルス幅を制御することができる。
[2]固体撮像装置の動作
次に、固体撮像装置3の動作について説明する。図6は、固体撮像装置3の動作を示すフローチャートであって、特に、n行目とn+1行目のセルに着目するものである。
VDDCELLがHi電位であり、LOADCELL、リセットパルスn、リードパルスn、リセットパルスn+1及びリードパルスn+1がLo電位であり、電荷保持部n、n+1がGND電位であり、出力信号線がVDD電位である状態においてn行目の画素セル30が選択される動作から説明を始める。
次に、固体撮像装置3の動作について説明する。図6は、固体撮像装置3の動作を示すフローチャートであって、特に、n行目とn+1行目のセルに着目するものである。
VDDCELLがHi電位であり、LOADCELL、リセットパルスn、リードパルスn、リセットパルスn+1及びリードパルスn+1がLo電位であり、電荷保持部n、n+1がGND電位であり、出力信号線がVDD電位である状態においてn行目の画素セル30が選択される動作から説明を始める。
図6に示されるように、先ず、リセットパルスnがHi電位とされると、リセットトランジスタ303がON状態となる。すると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位とされるので、これに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力される(図6、a点)。
この間、出力信号線はVDD電位、すなわち、電荷保持部nがHi電位であるときの電位に保持され、出力信号線の電位は変動しない。
この間、出力信号線はVDD電位、すなわち、電荷保持部nがHi電位であるときの電位に保持され、出力信号線の電位は変動しない。
次に、リセットパルスnがLo電位となりリセットトランジスタ303がOFF状態となる。電荷保持部nは引き続いてHi電位に保持され、一定の電荷が蓄積されている(図6、b点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ302がON状態となる。これにより、光電変換素子301に受光量に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部nに読み出されて、電荷保持部nの電位が降下する。これに応じて、増幅トランジスタ304の出力部306の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図6、c点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ302がON状態となる。これにより、光電変換素子301に受光量に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部nに読み出されて、電荷保持部nの電位が降下する。これに応じて、増幅トランジスタ304の出力部306の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図6、c点)。
次に、リードパルスnがLo電位となり、リードトランジスタ302がOFF状態となる(図6、d点)。信号処理部は、b点での出力信号線の電位とd点での出力信号線の電位とを検出し、その電位差を画素信号として測定する。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ303がON状態となる。これにより、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位になり、それに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力されて出力信号線の電位が上昇する(図6、j点)。その後、VDDCELLがHi電位からLo電位に降下する。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ303がON状態となる。これにより、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位になり、それに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力されて出力信号線の電位が上昇する(図6、j点)。その後、VDDCELLがHi電位からLo電位に降下する。
図3に示されるように、VDDCELLとリセット信号線との間にはカップリング容量308があるため、VDDCELLがLo電位に降下すると、リセットパルスnが一旦、Hi電位から降下する(図6、k点)。しかしながら、カップリング容量308分の電荷が蓄積されると、リセットパルスnはHi電位に復帰する。
リセットパルスnがHi電位だと、リセットトランジスタがON状態であるので、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となる。リセットパルスnは、電荷保持部nがLo電位となるに足る時間だけHi電位に保持された後、Lo電位とされる(図6、m点)。
リセットパルスnがHi電位だと、リセットトランジスタがON状態であるので、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となる。リセットパルスnは、電荷保持部nがLo電位となるに足る時間だけHi電位に保持された後、Lo電位とされる(図6、m点)。
このようにすれば、電荷保持部nの電位を、VDDCELLと同電位のLo電位まで確実に下げきることができる(図6、n点)。なお、負荷回路に接続された信号線LGの電位であるLOADCELLは、リセットパルスnがHi電位である間中、Lo電位に保持される。このため、トランジスタ311がOFF状態に保持されるので、出力信号線もVDD電位に保持される。
以上により、n行目の画素セル30の画素信号を出力する動作が終了する(図6、n点)。
以上により、n行目の画素セル30の画素信号を出力する動作が終了する(図6、n点)。
その後、n+1行目の画素セルが選択される(図6、l点)。この場合、n行目は選択されないので、リセットパルスnも電荷保持部nもLo電位に保持される。
[3]特徴
以上、述べたような構成により、固体撮像装置3は次のような特徴を有する。
(1)本実施の形態においては、電荷保持部nの電位をVDDCELLのLo電位(GND)にするに際して、VDDCELLの電位がHi電位からLo電位に変化する前後に亘るリセットパルスnをリセットトランジスタ303に入力する。
[3]特徴
以上、述べたような構成により、固体撮像装置3は次のような特徴を有する。
(1)本実施の形態においては、電荷保持部nの電位をVDDCELLのLo電位(GND)にするに際して、VDDCELLの電位がHi電位からLo電位に変化する前後に亘るリセットパルスnをリセットトランジスタ303に入力する。
この場合において、VDDCELLとリセット信号線との間にはカップリング容量やリセットトランジスタ103のゲートインピーダンスが無視できる程度に小さければ、リセットパルスnをHi電位にすると電荷保持部nの電位が直ちにVDDCELLのLo電位となる。
しかしながら、固体撮像装置の画素数を増やすために画素を小さくすると、上記カップリング容量やゲートインピーダンスが無視できない程度にまで大きくなる。すると、VDDCELLがLo電位になったときに、リセットパルスnをHi電位に保持することができなくなる。
しかしながら、固体撮像装置の画素数を増やすために画素を小さくすると、上記カップリング容量やゲートインピーダンスが無視できない程度にまで大きくなる。すると、VDDCELLがLo電位になったときに、リセットパルスnをHi電位に保持することができなくなる。
また、画素数の増大に合わせて上げた駆動周波数に応じてリセットパルスnのパルス幅を小さくすると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットパルスnがLo電位になる。
この結果、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前に、リセットトランジスタ303がOFF状態になり、電荷保持部nの電位をリセットすることができない。このため、固体撮像装置3の構成及び駆動方法で画素数を増やすと、ダイナミックレンジが低下せざるを得ない。
この結果、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前に、リセットトランジスタ303がOFF状態になり、電荷保持部nの電位をリセットすることができない。このため、固体撮像装置3の構成及び駆動方法で画素数を増やすと、ダイナミックレンジが低下せざるを得ない。
図7は、リセットパルスnをHi電位に保持する時間が不十分である場合の固体撮像装置の動作を示すフローチャートである。図7に示されるように、リセットパルスnをHi電位に保持する時間が不十分である場合には、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位に下がりきらないまま、VDDCELLがHi電位に変化する。すると、電荷保持部nの電位に応じて出力信号線の電位が低下する。このため、n+1行目の画素セルの信号電荷を正しく検出することができない。
このような問題に対して、本実施の形態では、リセットパルスnのパルス幅を大きくするので、VDDCELLがLo電位となり、リセットパルスnの電位が低下した後に、リセットパルスnがHi電位に戻って、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となるまで、リセットトランジスタ303をON状態とする。従って、ダイナミックレンジの低下を防ぐことができる。
図8は、VDDCELLの電位とリセットパルスnとのタイミングと、画素セル30の飽和出力との関係を示す図であって、(a)はVDDCELLとリセットパルスnとを示すタイミングチャートであり、(b)はVDDCELLがLo電位である期間においてリセットパルスnがHi電位に保持される時間(以下、「保持時間」という。)tと画素セルの飽和出力との関係を示すグラフである。
図8は、VDDCELLの電位とリセットパルスnとのタイミングと、画素セル30の飽和出力との関係を示す図であって、(a)はVDDCELLとリセットパルスnとを示すタイミングチャートであり、(b)はVDDCELLがLo電位である期間においてリセットパルスnがHi電位に保持される時間(以下、「保持時間」という。)tと画素セルの飽和出力との関係を示すグラフである。
図8(a)に示されるように、リセットパルスnはVDDCELLがHi電位からLo電位に遷移する前後に亘ってHi電位に保持される。また、VDDCELLがHi電位に復帰する前にLo電位に遷移する。これはリセットトランジスタをON状態にしたままVDDCELLがHi電位に遷移すると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位へ上昇するのを防ぐためである。
上述のように、保持時間tが短く、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットトランジスタ303がOFF状態になると、飽和出力が小さくなってダイナミックレンジが低下する。一方、保持時間tが十分に長いと、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となった後にリセットトランジスタ303がOFF状態になるので、飽和出力が大きくなる。
上述のように、保持時間tが短く、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットトランジスタ303がOFF状態になると、飽和出力が小さくなってダイナミックレンジが低下する。一方、保持時間tが十分に長いと、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となった後にリセットトランジスタ303がOFF状態になるので、飽和出力が大きくなる。
この場合において、図8(b)に示されるように、保持時間tが時間t1を超えると飽和出力は略一定となる。本実施の形態においては、保持時間tが略t1となるようなリセットパルスnを、行走査回路が出力する。時間t1は、VDDCELLがLo電位となり、リセットパルスnの電位が一旦、低下してからHi電位に戻るまでの時間である。
この時間差t1は、画素やトランジスタの大きさ等によって異なり、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスがR、カップリング容量308の静電容量がCならば、t1は、t1=R×Cで表わされる。従って、例えば、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスRが1,000(kΩ)で、カップリング容量308の静電容量Cが0.2pFならば、時間t1は0.2(μsec)となる。
この時間差t1は、画素やトランジスタの大きさ等によって異なり、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスがR、カップリング容量308の静電容量がCならば、t1は、t1=R×Cで表わされる。従って、例えば、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスRが1,000(kΩ)で、カップリング容量308の静電容量Cが0.2pFならば、時間t1は0.2(μsec)となる。
なお、固体撮像装置を安定的に動作させるためには、保持時間tを時間t1よりも大きくして、リセットパルスnの電位がHi電位に安定するまで保持するのが望ましい。
(2)本実施の形態によれば、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となった後も出力信号線がVDD電位に保持される。従って、a点においてリセットパルスnが与えられても、出力信号線の電位は変動しない。従って、増幅トランジスタ304とゲート電極と出力部306との間のカップリング容量に関わらず、非選択行の電荷保持部305の電位をLo電位に保持することができる。
(2)本実施の形態によれば、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となった後も出力信号線がVDD電位に保持される。従って、a点においてリセットパルスnが与えられても、出力信号線の電位は変動しない。従って、増幅トランジスタ304とゲート電極と出力部306との間のカップリング容量に関わらず、非選択行の電荷保持部305の電位をLo電位に保持することができる。
特許文献1に係る構成では、リセットパルスnが与えられた際に(図2、a点)、増幅トランジスタ104とゲート電極と出力部106との間のカップリング容量が大きいと、非選択行の電荷保持部105の電位が変動する。このため、非選択行の増幅トランジスタ304から電流が漏れ出すので、ダイナミックレンジが低下する。
本実施の形態によれば、このようなカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。その結果、画素信号のS/N比を向上させて、高画質の撮像を達成することができる。
本実施の形態によれば、このようなカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。その結果、画素信号のS/N比を向上させて、高画質の撮像を達成することができる。
本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、小型、高画素化したMOS型の固体撮像装置のダイナミックレンジの低下を抑制する技術として有用である。
本発明は、固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置に関し、特に、小型、高画素化したMOS型の固体撮像装置のダイナミックレンジの低下を抑制する技術に関する。
近年、普及が著しい固体撮像装置には、CCD型とMOS型との2種類があり、特にMOS型の固体撮像装置は高感度、低消費電力等、多くの利点があり、有望視されている。
MOS型の固体撮像装置について簡単に説明する(例えば、特許文献1参照)。
図1は、従来技術に係るMOS型の固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。
図1に示されるように、固体撮像装置1は、撮像部、負荷回路、行走査回路、信号処理部及び列走査回路からなる。また、撮像部は複数の画素セル10を備え、個々の画素セル10は光電変換素子101、リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104、電荷保持部105及び出力部106を備える。
MOS型の固体撮像装置について簡単に説明する(例えば、特許文献1参照)。
図1は、従来技術に係るMOS型の固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。
図1に示されるように、固体撮像装置1は、撮像部、負荷回路、行走査回路、信号処理部及び列走査回路からなる。また、撮像部は複数の画素セル10を備え、個々の画素セル10は光電変換素子101、リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104、電荷保持部105及び出力部106を備える。
リードトランジスタ102、リセットトランジスタ103及び増幅トランジスタ104はMOS-FET(MOS Field Effect Transistor)である。また、電荷保持部105は、回路図上では単なる接続点であるが、集積回路内ではPN接合部に相当し、一定の電荷を保持することができる。
各画素セルは、行走査回路からのリードパルス及びリセットパルスにより1行毎に順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。信号処理部が処理した画素信号は、列走査回路からの走査パルスにより1列毎に出力される。
各画素セルは、行走査回路からのリードパルス及びリセットパルスにより1行毎に順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。信号処理部が処理した画素信号は、列走査回路からの走査パルスにより1列毎に出力される。
次に、固体撮像装置1の動作について説明する。図2は、固体撮像装置1の動作を示すタイミングチャートである。図2に示されるように、n行目の画素セル10が選択されている場合、先ず、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これによって、電荷保持部105の電位がVDDCELLのHi電位になると、それに応じた電位が増幅トランジスタ104の出力部106から出力されて出力信号線の電位が上昇する。(図2、a点)。
次に、リセットパルスnがLo電位となりリセットトランジスタ103がOFF状態となる。この間、電荷保持部105は、Hi電位を保つ(図2、b点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ102がON状態となる。これにより、光電変換素子101に光情報に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部105に読み出され、その結果、電荷保持部105の電位が降下する。電荷保持部105の電位の降下に応じて、増幅トランジスタ104の出力部106の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図2、c点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ102がON状態となる。これにより、光電変換素子101に光情報に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部105に読み出され、その結果、電荷保持部105の電位が降下する。電荷保持部105の電位の降下に応じて、増幅トランジスタ104の出力部106の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図2、c点)。
次に、リードパルスnがLo電位となりリードトランジスタ102がOFF状態となる(図2、d点)。信号処理部は、b点での出力信号線の電位とd点での出力信号線の電位とを検出し、その電位差を画素信号として測定する。その後、VDDCELLがLo電位となる(図2、d´点)。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これにより、電荷保持部105の電位がVDDCELLのLo電位になり、増幅トランジスタ104がOFF状態となる。以上により画素セル10の画素信号出力動作が終了する(図2、e点)、その後、n行は非選択行となり、n+1行が選択行となる(図2、f点)。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ103がON状態となる。これにより、電荷保持部105の電位がVDDCELLのLo電位になり、増幅トランジスタ104がOFF状態となる。以上により画素セル10の画素信号出力動作が終了する(図2、e点)、その後、n行は非選択行となり、n+1行が選択行となる(図2、f点)。
このように、固体撮像装置1は、図2のa点において選択行の画素セル10にのみリセットパルスを与え、選択行の電荷保持部105の電位をHi電位にすることで、増幅トランジスタ104をON状態にして画素信号を出力させる。一方、非選択行の画素セル10の電荷保持部105の電位はLo電位に保たれるので、増幅トランジスタ104がOFF状態となり、画素信号は出力されない。
特開2003−046864号公報
固体撮像装置には高画素化や低消費電力化に対する強い要請があり、画素の小型化が必須となっている。また、固体撮像装置のフレームレートを維持しながら高画素化するためには、駆動周波数を高くしなければならない。例えば、5フレーム/秒のフレームレートを達成するためには、130万画素ならば駆動周波数を18MHzに、また、300万画素ならば駆動周波数を25MHzにしなければならない。
しかしながら、上記従来技術に係る固体撮像装置において、画素を小さくして高画素化したり駆動周波数を高めたりした場合にダイナミックレンジを大きくすると、出力信号線にノイズが重畳されるので、画素信号を正確に検出することができない。この結果、ダイナミックレンジが低下する、という問題がある。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、高画素化、高駆動周波数化しても、ダイナミックレンジが低下しない固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、高画素化、高駆動周波数化しても、ダイナミックレンジが低下しない固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を画素セル毎に備えたMOS型の固体撮像装置の駆動方法であって、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第1ステップと、第1ステップの後、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第2ステップと、第2ステップの後、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第3ステップと、第3ステップの後、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第4ステップと、第4ステップの後、基準電源から電圧保持部に接地電圧を供給している状態で、リセットトランジスタを開く第5ステップと、を含み、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給されることによって、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開くことを特徴とする。
このようにすれば、電荷保持部を確実にLo電位にすることができるので、基準電源が基準電圧に復帰しても出力信号線を基準電圧に保持することができる。従って、高画素化に伴って増大したカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。
この場合において、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に供給される電圧が基準電圧から接地電圧に変化してから、所定時間を経過した後にリセットトランジスタを開き、この所定時間は、リセットトランジスタ並びに増幅トランジスタと基準電圧源とを接続する信号線と、リセットトランジスタのゲート入力線との間にカップリング容量と、リセットトランジスタのゲート入力インピーダンスとの積に対応するとすれば好適である。
この場合において、第5ステップは、基準電源から電圧保持部に供給される電圧が基準電圧から接地電圧に変化してから、所定時間を経過した後にリセットトランジスタを開き、この所定時間は、リセットトランジスタ並びに増幅トランジスタと基準電圧源とを接続する信号線と、リセットトランジスタのゲート入力線との間にカップリング容量と、リセットトランジスタのゲート入力インピーダンスとの積に対応するとすれば好適である。
また、本発明に係る固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素セルを備えるMOS型の固体撮像装置であって、画素セル毎に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を備え、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、次に、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、次に、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、次に、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、次に、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給され始めた後、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開くことを特徴とする。
このようにすれば、小型かつ高画素でかつダイナミックレンジの大きい固体撮像装置を得ることができる。
この場合において、リードトランジスタに入力するリードパルス信号と、リセットトランジスタに入力するリセットパルス信号と、を生成する行走査回路を備え、行走査回路は、何れもパルス信号であるクロック信号、リセット信号及びリード信号を出力するパルス生成部と、クロック信号の各パルスを画素セルの行毎に順次出力するシフトレジスタと、画素セルの行毎に、シフトレジスタの出力信号とリセット信号との論理積をリセットトランジスタのゲート電極に入力すると共に、シフトレジスタの出力信号とリード信号との論理積をリードトランジスタのゲート電極に入力するAND回路と、を備えるとすれば好適である。
この場合において、リードトランジスタに入力するリードパルス信号と、リセットトランジスタに入力するリセットパルス信号と、を生成する行走査回路を備え、行走査回路は、何れもパルス信号であるクロック信号、リセット信号及びリード信号を出力するパルス生成部と、クロック信号の各パルスを画素セルの行毎に順次出力するシフトレジスタと、画素セルの行毎に、シフトレジスタの出力信号とリセット信号との論理積をリセットトランジスタのゲート電極に入力すると共に、シフトレジスタの出力信号とリード信号との論理積をリードトランジスタのゲート電極に入力するAND回路と、を備えるとすれば好適である。
以下、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[1] 固体撮像装置の構成
先ず、本実施の形態に係るMOS型の固体撮像装置の構成について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える。
[1] 固体撮像装置の構成
先ず、本実施の形態に係るMOS型の固体撮像装置の構成について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える。
図3は、本実施の形態に係る固体撮像装置の主要な構成を示す回路図である。図3に示されるように、固体撮像装置3は行走査回路、負荷回路、撮像部、信号処理部及び列走査回路からなる。
撮像部は、多数の画素セル30が2次元配列されてなり、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。行走査回路は、リードパルス及びリセットパルスを撮像部に入力して、1行毎に画素信号を出力させる。
撮像部は、多数の画素セル30が2次元配列されてなり、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。行走査回路は、リードパルス及びリセットパルスを撮像部に入力して、1行毎に画素信号を出力させる。
本実施の形態において、画素信号とは、基準電位と信号電位との電位差に基づく信号である。ここで、基準電位とは、画素セル30における電源部(VDDCELL)のHi電位を電荷保持部305に与えたときに増幅トランジスタ304を通じて出力部306に出力される電位である。また、信号電位は、受光量に応じて光電変換素子301が放出した電子を電荷保持部305に与えたときに増幅トランジスタ304を通じて出力部306に出力される電位である。
なお、行走査回路が、リードパルスをリードトランジスタ302に入力すると基準電位が出力され、リセットパルスをリセットトランジスタ303に入力すると信号電位が出力される。
信号処理部は、基準電位と信号電位とを異なるタイミングで読み出して、その2時点における出力信号線の電位差により画素信号を得る。信号処理部は行毎に画素信号を受け付けると、信号処理して出力する。列操作回路は操作パルスを信号処理部に入力して、信号処理した画像信号を1列毎に出力させる。
信号処理部は、基準電位と信号電位とを異なるタイミングで読み出して、その2時点における出力信号線の電位差により画素信号を得る。信号処理部は行毎に画素信号を受け付けると、信号処理して出力する。列操作回路は操作パルスを信号処理部に入力して、信号処理した画像信号を1列毎に出力させる。
図4は、本実施の形態に係る行走査回路の構成を示すブロック図である。図4に示されるように、行走査回路4はパル生成部、シフトレジスタ及びAND回路からなり、撮像部に駆動パルスを入力する。
パルス生成部は、周期的なパルス信号であるクロック信号Clkを生成して、シフトレジスタに入力する。また、パルス生成部は、リード信号Readとリセット信号Resetとを生成して、AND回路に入力する。
パルス生成部は、周期的なパルス信号であるクロック信号Clkを生成して、シフトレジスタに入力する。また、パルス生成部は、リード信号Readとリセット信号Resetとを生成して、AND回路に入力する。
シフトレジスタは、クロック信号Clkに基づいてセル毎に出力信号Out1、Out2、・・・を順次生成して、AND回路の対応するセルに入力する。
AND回路は、セル毎に出力信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとり、出力信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとって、リードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・を撮像部の各行のリード信号線並びにリセット信号線に出力する。
AND回路は、セル毎に出力信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとり、出力信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとって、リードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・を撮像部の各行のリード信号線並びにリセット信号線に出力する。
撮像部の各画素セル30は、行走査回路からのリードパルスRead1、Read2、・・・及びリセットパルスReset1、Reset2、・・・によって順次選択され、出力信号線を通じて画素信号を信号処理部に伝送する。
図5は、行走査回路の動作を示すタイミングチャートである。図5に示されるように、パルス生成回路はクロック信号Clkの1パルスの期間内にリード信号Readを1パルスとリセット信号Resetを3パルス出力する。
図5は、行走査回路の動作を示すタイミングチャートである。図5に示されるように、パルス生成回路はクロック信号Clkの1パルスの期間内にリード信号Readを1パルスとリセット信号Resetを3パルス出力する。
すると、シフトレジスタはセル毎に出力信号Out1、Out2、・・・を順次出力する。AND回路は、セル毎に信号Out1、Out2、・・・とリード信号Readとの論理積をとってリードパルスRead1、Read2、・・・を生成し、信号Out1、Out2、・・・とリセット信号Resetとの論理積をとってリセットパルスReset1、Reset2、・・・を生成する。
従って、行走査回路は、パルス生成回路がAND回路に入力するリセット信号Resetのパルス幅を制御することによってリセットパルスReset1、Reset2、・・・のパルス幅を制御することができる。
従って、行走査回路は、パルス生成回路がAND回路に入力するリセット信号Resetのパルス幅を制御することによってリセットパルスReset1、Reset2、・・・のパルス幅を制御することができる。
[2] 固体撮像装置の動作
次に、固体撮像装置3の動作について説明する。図6は、固体撮像装置3の動作を示すフローチャートであって、特に、n行目とn+1行目のセルに着目するものである。
VDDCELLがHi電位であり、LOADCELL、リセットパルスn、リードパルスn、リセットパルスn+1及びリードパルスn+1がLo電位であり、電荷保持部n、n+1がGND電位であり、出力信号線がVDD電位である状態においてn行目の画素セル30が選択される動作から説明を始める。
次に、固体撮像装置3の動作について説明する。図6は、固体撮像装置3の動作を示すフローチャートであって、特に、n行目とn+1行目のセルに着目するものである。
VDDCELLがHi電位であり、LOADCELL、リセットパルスn、リードパルスn、リセットパルスn+1及びリードパルスn+1がLo電位であり、電荷保持部n、n+1がGND電位であり、出力信号線がVDD電位である状態においてn行目の画素セル30が選択される動作から説明を始める。
図6に示されるように、先ず、リセットパルスnがHi電位とされると、リセットトランジスタ303がON状態となる。すると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位とされるので、これに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力される(図6、a点)。
この間、出力信号線はVDD電位、すなわち、電荷保持部nがHi電位であるときの電位に保持され、出力信号線の電位は変動しない。
この間、出力信号線はVDD電位、すなわち、電荷保持部nがHi電位であるときの電位に保持され、出力信号線の電位は変動しない。
次に、リセットパルスnがLo電位となりリセットトランジスタ303がOFF状態となる。電荷保持部nは引き続いてHi電位に保持され、一定の電荷が蓄積されている(図6、b点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ302がON状態となる。これにより、光電変換素子301に受光量に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部nに読み出されて、電荷保持部nの電位が降下する。これに応じて、増幅トランジスタ304の出力部306の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図6、c点)。
次に、リードパルスnがHi電位となり、リードトランジスタ302がON状態となる。これにより、光電変換素子301に受光量に応じて蓄積されていた電荷が、電荷保持部nに読み出されて、電荷保持部nの電位が降下する。これに応じて、増幅トランジスタ304の出力部306の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する(図6、c点)。
次に、リードパルスnがLo電位となり、リードトランジスタ302がOFF状態となる(図6、d点)。信号処理部は、b点での出力信号線の電位とd点での出力信号線の電位とを検出し、その電位差を画素信号として測定する。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ303がON状態となる。これにより、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位になり、それに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力されて出力信号線の電位が上昇する(図6、j点)。その後、VDDCELLがHi電位からLo電位に降下する。
次に、リセットパルスnがHi電位となり、リセットトランジスタ303がON状態となる。これにより、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位になり、それに応じた電位が増幅トランジスタ304の出力部306から出力されて出力信号線の電位が上昇する(図6、j点)。その後、VDDCELLがHi電位からLo電位に降下する。
図3に示されるように、VDDCELLとリセット信号線との間にはカップリング容量308があるため、VDDCELLがLo電位に降下すると、リセットパルスnが一旦、Hi電位から降下する(図6、k点)。しかしながら、カップリング容量308分の電荷が蓄積されると、リセットパルスnはHi電位に復帰する。
リセットパルスnがHi電位だと、リセットトランジスタがON状態であるので、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となる。リセットパルスnは、電荷保持部nがLo電位となるに足る時間だけHi電位に保持された後、Lo電位とされる(図6、m点)。
リセットパルスnがHi電位だと、リセットトランジスタがON状態であるので、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となる。リセットパルスnは、電荷保持部nがLo電位となるに足る時間だけHi電位に保持された後、Lo電位とされる(図6、m点)。
このようにすれば、電荷保持部nの電位を、VDDCELLと同電位のLo電位まで確実に下げきることができる(図6、n点)。なお、負荷回路に接続された信号線LGの電位であるLOADCELLは、リセットパルスnがHi電位である間中、Lo電位に保持される。このため、トランジスタ311がOFF状態に保持されるので、出力信号線もVDD電位に保持される。
以上により、n行目の画素セル30の画素信号を出力する動作が終了する(図6、n点)。
以上により、n行目の画素セル30の画素信号を出力する動作が終了する(図6、n点)。
その後、n+1行目の画素セルが選択される(図6、l点)。この場合、n行目は選択されないので、リセットパルスnも電荷保持部nもLo電位に保持される。
[3] 特徴
以上、述べたような構成により、固体撮像装置3は次のような特徴を有する。
(1) 本実施の形態においては、電荷保持部nの電位をVDDCELLのLo電位(GND)にするに際して、VDDCELLの電位がHi電位からLo電位に変化する前後に亘るリセットパルスnをリセットトランジスタ303に入力する。
[3] 特徴
以上、述べたような構成により、固体撮像装置3は次のような特徴を有する。
(1) 本実施の形態においては、電荷保持部nの電位をVDDCELLのLo電位(GND)にするに際して、VDDCELLの電位がHi電位からLo電位に変化する前後に亘るリセットパルスnをリセットトランジスタ303に入力する。
この場合において、VDDCELLとリセット信号線との間にはカップリング容量やリセットトランジスタ103のゲートインピーダンスが無視できる程度に小さければ、リセットパルスnをHi電位にすると電荷保持部nの電位が直ちにVDDCELLのLo電位となる。
しかしながら、固体撮像装置の画素数を増やすために画素を小さくすると、上記カップリング容量やゲートインピーダンスが無視できない程度にまで大きくなる。すると、VDDCELLがLo電位になったときに、リセットパルスnをHi電位に保持することができなくなる。
しかしながら、固体撮像装置の画素数を増やすために画素を小さくすると、上記カップリング容量やゲートインピーダンスが無視できない程度にまで大きくなる。すると、VDDCELLがLo電位になったときに、リセットパルスnをHi電位に保持することができなくなる。
また、画素数の増大に合わせて上げた駆動周波数に応じてリセットパルスnのパルス幅を小さくすると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットパルスnがLo電位になる。
この結果、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前に、リセットトランジスタ303がOFF状態になり、電荷保持部nの電位をリセットすることができない。このため、固体撮像装置3の構成及び駆動方法で画素数を増やすと、ダイナミックレンジが低下せざるを得ない。
この結果、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前に、リセットトランジスタ303がOFF状態になり、電荷保持部nの電位をリセットすることができない。このため、固体撮像装置3の構成及び駆動方法で画素数を増やすと、ダイナミックレンジが低下せざるを得ない。
図7は、リセットパルスnをHi電位に保持する時間が不十分である場合の固体撮像装置の動作を示すフローチャートである。図7に示されるように、リセットパルスnをHi電位に保持する時間が不十分である場合には、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位に下がりきらないまま、VDDCELLがHi電位に変化する。すると、電荷保持部nの電位に応じて出力信号線の電位が低下する。このため、n+1行目の画素セルの信号電荷を正しく検出することができない。
このような問題に対して、本実施の形態では、リセットパルスnのパルス幅を大きくするので、VDDCELLがLo電位となり、リセットパルスnの電位が低下した後に、リセットパルスnがHi電位に戻って、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となるまで、リセットトランジスタ303をON状態とする。従って、ダイナミックレンジの低下を防ぐことができる。
図8は、VDDCELLの電位とリセットパルスnとのタイミングと、画素セル30の飽和出力との関係を示す図であって、(a)はVDDCELLとリセットパルスnとを示すタイミングチャートであり、(b)はVDDCELLがLo電位である期間においてリセットパルスnがHi電位に保持される時間(以下、「保持時間」という。)tと画素セルの飽和出力との関係を示すグラフである。
図8は、VDDCELLの電位とリセットパルスnとのタイミングと、画素セル30の飽和出力との関係を示す図であって、(a)はVDDCELLとリセットパルスnとを示すタイミングチャートであり、(b)はVDDCELLがLo電位である期間においてリセットパルスnがHi電位に保持される時間(以下、「保持時間」という。)tと画素セルの飽和出力との関係を示すグラフである。
図8(a)に示されるように、リセットパルスnはVDDCELLがHi電位からLo電位に遷移する前後に亘ってHi電位に保持される。また、VDDCELLがHi電位に復帰する前にLo電位に遷移する。これはリセットトランジスタをON状態にしたままVDDCELLがHi電位に遷移すると、電荷保持部nの電位がVDDCELLのHi電位へ上昇するのを防ぐためである。
上述のように、保持時間tが短く、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットトランジスタ303がOFF状態になると、飽和出力が小さくなってダイナミックレンジが低下する。一方、保持時間tが十分に長いと、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となった後にリセットトランジスタ303がOFF状態になるので、飽和出力が大きくなる。
上述のように、保持時間tが短く、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となる前にリセットトランジスタ303がOFF状態になると、飽和出力が小さくなってダイナミックレンジが低下する。一方、保持時間tが十分に長いと、電荷保持部nの電位がVDDCELLのLo電位となった後にリセットトランジスタ303がOFF状態になるので、飽和出力が大きくなる。
この場合において、図8(b)に示されるように、保持時間tが時間t1を超えると飽和出力は略一定となる。本実施の形態においては、保持時間tが略t1となるようなリセットパルスnを、行走査回路が出力する。時間t1は、VDDCELLがLo電位となり、リセットパルスnの電位が一旦、低下してからHi電位に戻るまでの時間である。
この時間差t1は、画素やトランジスタの大きさ等によって異なり、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスがR、カップリング容量308の静電容量がCならば、t1は、t1=R×Cで表わされる。従って、例えば、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスRが1,000(kΩ)で、カップリング容量308の静電容量Cが0.2pFならば、時間t1は0.2(μsec)となる。
この時間差t1は、画素やトランジスタの大きさ等によって異なり、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスがR、カップリング容量308の静電容量がCならば、t1は、t1=R×Cで表わされる。従って、例えば、リセットトランジスタ303のゲート入力インピーダンスRが1,000(kΩ)で、カップリング容量308の静電容量Cが0.2pFならば、時間t1は0.2(μsec)となる。
なお、固体撮像装置を安定的に動作させるためには、保持時間tを時間t1よりも大きくして、リセットパルスnの電位がHi電位に安定するまで保持するのが望ましい。
(2) 本実施の形態によれば、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となった後も出力信号線がVDD電位に保持される。従って、a点においてリセットパルスnが与えられても、出力信号線の電位は変動しない。従って、増幅トランジスタ304とゲート電極と出力部306との間のカップリング容量に関わらず、非選択行の電荷保持部305の電位をLo電位に保持することができる。
(2) 本実施の形態によれば、電荷保持部nがVDDCELLのLo電位となった後も出力信号線がVDD電位に保持される。従って、a点においてリセットパルスnが与えられても、出力信号線の電位は変動しない。従って、増幅トランジスタ304とゲート電極と出力部306との間のカップリング容量に関わらず、非選択行の電荷保持部305の電位をLo電位に保持することができる。
特許文献1に係る構成では、リセットパルスnが与えられた際に(図2、a点)、増幅トランジスタ104とゲート電極と出力部106との間のカップリング容量が大きいと、非選択行の電荷保持部105の電位が変動する。このため、非選択行の増幅トランジスタ304から電流が漏れ出すので、ダイナミックレンジが低下する。
本実施の形態によれば、このようなカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。その結果、画素信号のS/N比を向上させて、高画質の撮像を達成することができる。
本実施の形態によれば、このようなカップリング容量に起因するダイナミックレンジの低下を防止することができる。その結果、画素信号のS/N比を向上させて、高画質の撮像を達成することができる。
本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、小型、高画素化したMOS型の固体撮像装置のダイナミックレンジの低下を抑制する技術として有用である。
1、3………固体撮像装置
10、30……画素セル
101、301…光電変換素子
102、302…リードトランジスタ
103、303…リセットトランジスタ
104、304…増幅トランジスタ
105、305…電荷保持部
106、306…出力部
111、311…トランジスタ
10、30……画素セル
101、301…光電変換素子
102、302…リードトランジスタ
103、303…リセットトランジスタ
104、304…増幅トランジスタ
105、305…電荷保持部
106、306…出力部
111、311…トランジスタ
Claims (4)
- 受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、
光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、
光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、
基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、
基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、
基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を画素セル毎に備えたMOS型の固体撮像装置の駆動方法であって、
リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第1ステップと、
第1ステップの後、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第2ステップと、
第2ステップの後、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測する第3ステップと、
第3ステップの後、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とする第4ステップと、
第4ステップの後、基準電源から電圧保持部に接地電圧を供給している状態で、リセットトランジスタを開く第5ステップと、を含み、
第5ステップは、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給されることによって、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開く
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 第5ステップは、基準電源から電圧保持部に供給される電圧が基準電圧から接地電圧に変化してから、所定時間を経過した後にリセットトランジスタを開き、
この所定時間は、リセットトランジスタ並びに増幅トランジスタと基準電圧源とを接続する信号線と、リセットトランジスタのゲート入力線との間にカップリング容量と、リセットトランジスタのゲート入力インピーダンスとの積に対応する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - マトリックス状に配列された複数の画素セルを備えるMOS型の固体撮像装置であって、
画素セル毎に、
受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、
光電変換素子が生成した信号電荷を保持する電荷保持部と、
光電変換素子と電荷保持部との接続を開閉するリードトランジスタと、
基準電圧と接地電圧とを供給する基準電圧源と、
基準電圧源と電荷保持部との接続を開閉するリセットトランジスタと、
基準電圧源に接続され、電荷保持部の電位に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、を備え、
リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、
次に、リセットトランジスタを開き、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、
次に、リードトランジスタを閉じて信号電荷を電荷保持部に保持した状態で、増幅トランジスタの出力電圧を計測し、
次に、リセットトランジスタを閉じて電荷保持部を基準電圧とし、
次に、基準電源から電圧保持部に接地電圧が供給され始めた後、一旦、リセットトランジスタが閉状態から開状態に向かってから、再び、閉状態になった後にリセットトランジスタを開く
ことを特徴とする固体撮像装置。 - リードトランジスタに入力するリードパルス信号と、リセットトランジスタに入力するリセットパルス信号と、を生成する行走査回路を備え、
行走査回路は、
何れもパルス信号であるクロック信号、リセット信号及びリード信号を出力するパルス生成部と、
クロック信号の各パルスを画素セルの行毎に順次出力するシフトレジスタと、
画素セルの行毎に、シフトレジスタの出力信号とリセット信号との論理積をリセットトランジスタのゲート電極に入力すると共に、シフトレジスタの出力信号とリード信号との論理積をリードトランジスタのゲート電極に入力するAND回路と、を備える
ことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。
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