KR101093923B1

KR101093923B1 - 고체 촬상 장치, 화소 신호 처리 방법, 아날로그 신호전송 장치, 아날로그 신호 전송 방법

Info

Publication number: KR101093923B1
Application number: KR1020040082823A
Authority: KR
Inventors: 고세끼겐; 하루따쯔또무
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2011-12-13
Also published as: CN1620103A; JP2005143078A; US8004590B2; US20050083420A1; US20090027536A1; US20100110249A1; US7508433B2; TW200531538A; KR20050036824A; US7742092B2; CN100477725C; US7719586B2; US20090046188A1; TWI250792B; JP4144578B2

Abstract

촬상 화소가 배치되어 있는 화소 어레이로부터, 선택된 행에서의 각각의 열의 촬상 화소 신호를, 수평 기간에서의 수평 블랭킹 기간에 병렬로 판독한다. 각각의 열의 촬상 화소 신호는 열들에 각각 제공된, 즉, 수직 신호선에 각각 제공된 전하 적분 증폭기를 통하여 수평 기간에서의 유효 기간에서 수평 신호선에 출력되어, 수평 전송된다. 전하 적분 증폭기에서는, 홀드 전압에 의해 화소 신호를 유지하면서 스탠바이 상태가 될 수 있다. 또한 전하 적분 증폭기에서, 판독 동작 시에 증폭기의 귀환 용량 소자 Cs를 프리차지하는 기준 전위를 흑 레벨에 기초하여 자동 제어한다. 또한 각각의 전하 적분 증폭기로부터의 화소 신호는 복수의 수평 신호선을 이용하여 수평 방향으로 병렬로 전송된다.

흑 레벨 제어, 전하 적분 증폭기, 멀티플렉서

Description

고체 촬상 장치, 화소 신호 처리 방법, 아날로그 신호 전송 장치, 아날로그 신호 전송 방법{SOLID STATE IMAGING DEVICE, PIXEL SIGNAL PROCESSING METHOD, ANALOG SIGNAL TRANSFERRING DEVICE, ANALOG SIGNAL TRANSFERRING METHOD}

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 구성의 설명도.

도 2는 제1 실시 형태의 화소 신호 판독 동작 타이밍의 설명도.

도 3은 제1 실시 형태의 수평 주사 회로의 회로예의 설명도.

도 4는 제1 실시 형태의 수평 주사 회로의 동작 타이밍의 설명도.

도 5a 내지 5d는 제1 실시 형태의 전하 적분 증폭기의 회로예의 설명도.

도 6은 제1 실시 형태의 멀티플렉서의 구성의 설명도.

도 7은 제1 실시 형태의 멀티플렉서의 동작 타이밍의 설명도.

도 8은 본 발명의 제2 실시 형태의 구성의 설명도.

도 9는 제2 실시 형태의 수평 주사 회로의 회로예의 설명도.

도 10은 제2 실시 형태의 수평 주사 회로의 동작 타이밍의 설명도.

도 11은 본 발명의 제3 실시 형태의 구성의 설명도.

도 12는 본 발명의 제4 실시 형태의 구성의 설명도.

도 13은 본 발명의 제5 실시 형태의 구성의 설명도.

도 14는 본 발명의 제6 실시 형태의 구성의 설명도.

도 15는 본 발명의 실시 형태의 모듈형 고체 촬상 장치의 설명도.

도 16은 제1 종래예의 구성의 설명도.

도 17은 제1 종래예의 동작 타이밍의 설명도.

도 18은 제2 종래예의 구성의 설명도.

도 19는 제2 종래예의 동작 타이밍의 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 화소 어레이

2 : 촬상 화소

3 : 수직 주사 회로

4 : 증폭기 구동 회로

5 : 수평 주사 회로

6 : 흑 레벨 제어 회로

7 : 클램프 전압 출력 증폭기

8 : 멀티플렉서

9 : 전하 적분 증폭기

본 발명은 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치에서의 화소 신호 처리 방법, 아날로그 신호 전송 장치 및 아날로그 신호 전송 방법에 관한 것이다.

최근, CCD 이미지 센서의 대안으로서, CMOS 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 이것은 CMOS 이미지 센서가 CCD 이미지 센서의 다수의 문제들을 극복하고 있기 때문이다. CCD 이미지 센서의 문제들은, 예를 들어, CCD가 그 제조에 특정 프로세스를 필요로 하고, 또한 그 동작에는 복수의 전원 전압이 필요하며, 또한 복수의 주변 IC를 조합하여 사용되어야 하기 때문에, 시스템이 매우 복잡화된다는 문제들을 포함한다.

CMOS 이미지 센서는, 세계적으로 제조되고 있는 일반적인 CMOS형 집적 회로와 마찬가지의 제조 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서는단일 전원에서의 구동이 가능하다. 또한 CMOS 프로세스에 의해 제조된 아날로그 회로나 논리 회로를 동일 칩 내에 혼재시킬 수 있기 때문에, 주변 IC의 수를 줄일 수 있다. CMOS 이미지 센서에는 상당한 장점이 있다.

CCD의 출력 회로의 주류는 FD(Floating Diffusion) 증폭기를 이용한 1 채널 출력이다. 대조적으로, CMOS 이미지 센서의 주류는 각 화소마다 FD 증폭기를 갖고 있고, 열 병렬 출력형, 즉, 화소 어레이 중의 임의의 1행을 선택하여, 선택된 행에 대한 화소가 열 방향으로 동시에 판독되는 형이다. 이러한 유형의 CMOS 이미지 센서에서, 화소 내에 제공된 FD 증폭기로서는 충분한 구동 능력을 얻는 것은 어렵고, 따라서 데이터 레이트가 감소되어야 하며, 이에 대한 병렬 처리가 유리하다.

이 병렬 출력형 CMOS 이미지 센서의 신호 출력 회로에 대한 다양한 구성이 제안되고 있다. 예로서, 화소의 출력을 스위치형(switched) 용량 소자로 샘플링하여 그 출력을 판독한다. 다른 예로서, 각각의 열에 제공된 증폭기에 의해 신호들이 판독된다. 또 다른 예로서, AD 컨버터들 및 DRAM들도 각각의 열에 제공된다. 본 발명은 주로, 각각의 열에 제공된 증폭기에 의한 판독 방식에 관한 것이다.

각각의 열에 제공된 증폭기에 의한 판독 방식의 예가, 일본 미심사 특허 출원 공보 제5-207220호에 기재되어 있고, 이는 도 16 및 도 17을 참조하여 간단히 설명될 것이다.

도 16은, 하나의 화소(102)와 연관된 1열(1개의 수직 신호선 VL의 회로계)만을 추출하여 나타낸 것이다.

화소(102)는, 포토다이오드 PD, 리세트 트랜지스터 Trst, 증폭용 트랜지스터 Tg, 판독용 트랜지스터 Ts로 형성된다. 이 경우, 화소(102)의 출력은 소스 접지 증폭기(100) 및 용량 소자 C1, C2에 의해 형성된 전하 적분 증폭기를 이용하여 판독된다.

여기서 특필할 것은 귀환 용량 소자 C2를 스위치 Tr15와 기준 전압 Vref에 의해 프리차지되도록 구성함으로써, 소스 접지 증폭기(100) 사이의 오프셋 변동이 제거된다는 점이 특히 주목된다.

도 17에 이 회로의 동작 타이밍차트를 도시한다. 수평 블랭킹 기간 내의 T1 기간에서는, 화소는 오프셋 전압 Vo에 신호 Vps가 중복됨으로써 획득된 값을 출력한다. 전하 적분 증폭기는, 신호 φRC에 의해 스위치 Tr13이 턴오프됨으로써 리세트된다. 이 때, 신호 φRC에 의해 스위치 Tr15가 턴온되고, 신호 φTC에 의해 스위치 Tr14가 턴오프됨으로써 용량 소자 C2는 기준 전압 Vref에 프리차지되어 있다.

다음으로 T2 기간에서, 신호 φRC 및 φ TC에 의해, 스위치 Tr15가 턴오프, 스위치 Tr14가 턴온됨으로써, 프리차지된 기준 전압 Vref가 전하 적분 증폭기의 출력에 나타난다. 또한, 이 때 스위치 Tr13은 스위치 Tr15와 동시에 턴오프됨으로써 리세트 상태는 해제된다.

다음으로 T3 기간에서, 화소(102)로부터 오프셋 전압 Vo만이 출력되고, 그 출력을 적분함으로써 전하 적분 증폭기의 출력에는, 용량 소자 C1, C2의 용량의 비에 의해 결정된 게인으로 신호 성분만이 판독되게 된다.

마지막으로 판독한 신호를 시프트 레지스터(101)로부터 공급되는 펄스에 동기하여 수평 신호선 HL로 순차적으로 출력해간다.

상술된 바와 같이, 각각의 열에 제공된 증폭기에 의한 판독 방식에 따르면, 화소의 오프셋 전압을 제거하여 신호 성분만을 용이하게 추출하는 것이 가능하고, 또한 판독의 게인을 용량 소자 C1, C2의 용량 비로 임의로 설정 가능하다. 또한 소스 폴로어(follower) 자체의 변동도 기준 전압 Vref에 의한 프리차지로 제거 가능하다. 상술된 바와 같이, 본 방식은 다양한 이점을 갖는다.

또한 일본 미심사 특허 출원 공보 제11-266399호에는, 다른 판독 방식이 기재되어 있고, 이는 도 18 및 도 19를 참조하여 설명될 것이다.

도 18에는 임의로 선택된 3열(수직 신호선 VL1, VLn, VLN)을 추출하여 도시하고 있다. 또한 포토다이오드 PD 및 판독용 트랜지스터 Ts에 의해 형성된 화소(200)로서, 선택선 Vs에 대응하는 화소가 나타나 있다. 이 경우, 수직 주사 회로(201)에 의해서 선택선 Vs가 선택됨으로써, 1행의 화소가 선택되고, 각각의 열(각각의 수직 신호선 VL)에 각각의 화소로부터의 신호가 출력된다.

이 예에서, 각각의 열(각각의 수직 신호선 VL)마다 증폭기(203)를 제공하고 있는 점은, 일본 미심사 특허 출원 공보 제5-207220호의 예와 마찬가지이다. 그러나, 수평 주사 회로(202)로부터 각각의 증폭기(203)에 스탠바이 제어 신호 φP(φP1, φPn, φPN)가 공급되고 있는 점이 특히 주목될 것이다. 이에 따라 증폭기(203)는 열마다 스탠바이 상태와 동작 상태 사이에서 천이하는 것이 허여된다.

각각의 증폭기(203)의 출력은 스위치(204)에 의해서 선택되어, 수평 신호선 HL을 통해 출력 단자(205)에 전송된다. 스위치들(204)은 수평 주사 회로(202)로부터의 신호 φH(φH1, φHn, φHN)에 의해 각각 턴온 또는 턴오프되도록 제어된다.

도 19에 동작 타이밍차트를 도시한다.

신호 φHn의 펄스에 의해 증폭기(203)가 선택되고, 그 기간에 신호가 판독된다. 일본 미심사 특허 출원 제5-207220호의 예와 달리, 수평 블랭킹 기간에 일제히 신호가 판독되지는 않지만, 신호 φHN에 따라 선택된 기간에 신호가 각각 판독되어, 신호 φHN에 따라 선택되어 있지 않은 기간에는 동작할 필요가 없다. 즉, 선택되어 있지 않은 증폭기(203)는 스탠바이 상태에 있는 것이 가능하다.

증폭기(203)가 스탠바이로부터 복귀하는데 조금 시간이 걸리는 것을 고려하여 스탠바이 제어 신호 φPn은 신호 φHn보다 다소 빨리 상승하고 있지만, 증폭기는 그 이외의 기간은 스탠바이 상태에 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 예를 들면 1000열을 갖는 센서(화소 어레이) 및 각각의 열에 제공된 증폭기(203)를 가정하면, 실제로 전류는 1개의 증폭기 또는 신호 φPn의 중첩을 고려하면 도 19의 예에서는 2개의 증폭기에만 흐른다. 따라서, 소비 전력이 매우 적다는 이점이 있다.

일본 미심사 특허 출원 공보 제5-207220호 및 제11-266399호와 같은 종래의 기술에 대해서는, 이하와 같은 과제가 있다.

우선 일본 미심사 특허 출원 공보 제5-207220호에 따르면, 각각의 열에 증폭기가 제공되어야 하기 때문에, 소비 전력이 불가피하게 증대한다. 특히 이 예에서는 수평 신호선 HL은 직접 구동되고, 예를 들면 1000열을 갖는 센서의 경우, 수평 신호선 HL을 구동하는데 사용될 수 있는 그 시간은 1수평 기간의 유효 기간의 1/1000의 시간에 한정되기 때문에, 매우 고속으로 동작할 필요가 있다. 그것이 각각의 열에 제공된 증폭기들 중 하나의 증폭기 당 동작 전류를 증가시키는 요인으로 되어, 쓸데없이 소비 전력의 증대를 초래하게 된다.

또한, 기준 전압 Vref는 기본적으로 신호의 흑 레벨을 결정하게 되지만, 고정된 전위를 사용하기 때문에 온도 변화나 전원 전압 등과 같은 변동 요인에 대해서 추종성을 갖지 않는다. 따라서, 안정된 흑 레벨을 공급하기 위해서는 후단에 클램프 회로가 필요해지고, 회로 규모가 증대한다는 문제가 있다.

일본 미심사 특허 출원 공보 제11-266399호에 따르면, 소비 전력이 저감되고 있지만, 상기 설명한 바와 같이, 신호 φHn의 기간에, 화소 신호가 판독되어 수평 방향으로 전송된다. 그 때문에, 일본 미심사 특허 출원 공보 제5-207220호의 예와 비교하여도, 증폭기들은 매우 빠른 속도로 동작해야만 하여, 증폭기 1개당 흐르는 전류가 증가한다. 또한 증폭기의 레이아웃 면적이 증대하기 때문에, 촬상 화소 어레이로부터의 수직 신호선 각각에 대해, 즉 각각의 열에 대해 증폭기를 레이아웃해야만 한다는 제약 조건을 고려한 경우, 매우 불리해져서, 그 설계의 곤란이 예상된다.

이들의 과제를 감안하여, 보다 적합한 고체 촬상 장치 및 화소 신호 처리 방법을 제공하는 것, 즉, 각각의 열에 전하 적분 증폭기를 제공한 구성에서, 레이아웃 면적이 증대하지 않고, 저소비 전력의 흑 레벨에 추종성을 갖는 회로를 제공하는 것이 본원 발명의 목적이다. 보다 적합한 아날로그 신호 전송 장치 및 아날로그 신호 전송 방법을 제공하는 것도 본 발명의 다른 목적이다.

본 발명의 일 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역과, 상기 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 각각의 열에 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 수직 선택 회로와, 열들의 상기 수직 신호선에 각각 제공되어 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호의 입력을 수신하는 전하 적분 증폭기와, 상기 전하 적분 증폭기가 스탠바이 상태로 된 기간에서도, 예를 들어, 수평 블랭킹 기간에 입력된 화소 신호가 상기 전하 적분 증폭기 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자와, 상기 각각의 전하 적분 증폭기로부터 출력되는 화소 신호를 수평 신호선에 의해 전송시키는 수평 선택 회로를 구비하는 고체 촬상 장치가 제공된다.

홀딩 소자는, 상기 전하 적분 증폭기의 출력을, 사전결정된 홀딩 전압으로 고정하는 회로에 의해 구현될 수 있다.

바람직하게는, 수평 선택 회로는, 상기 전하 적분 증폭기 각각에 공급되는 증폭기 제어 신호에 따라, 상기 전하 적분 증폭기를, 온 상태와 스탠바이 상태 사이에서 개별적으로 전환 가능하도록 구성되고, 또한 상기 전하 적분 증폭기 각각을 상기 수평 신호선에 접속시키는 증폭기 선택 신호에 따라, 상기 전하 적분 증폭기를, 상기 수평 신호선에 개별적으로 접속시키는 것이 가능하도록 구성되며, 각각의 열에 제공되는 상기 전하 적분 증폭기를, 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온시켜 상기 수평 신호선에 접속시킴으로써, 상기 각 전하 적분 증폭기로부터 출력되는 화소 신호를 수평 신호선에 순차적으로 출력시킨다.

수평 선택 회로는, 상기 증폭기 제어 신호와 상기 증폭기 선택 신호를 공통의 신호로서 출력한다.

전하 적분 증폭기는 가변 용량 소자에 의해 구현된 귀환 용량 소자를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역과, 상기 촬상 화소 영역에 대하여, 선택한 행에서의 각 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 각 열에 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 수직 선택 회로와, 각 열의 상기 수직 신호선에 제공되고, 각 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호의 입력을 수신하는 전하 적분 증폭기와, 상기 각 전하 적분 증폭기로부터 출력되는 화소 신호를 하나 이상의 수평 신호선에 의해 전송시키는 수평 선택 회로와, 상기 수평 신호선에 의해 출력되는 화소 신호의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부와, 상기 수직 선택 회로에 의한 화소 신호의 판독에 앞서서, 상기 전하 적분 증폭기의 귀환 용량을, 상기 기준 전위 생성부에 의해 생성된 상기 기준 전위로 충전(charging)하는 충전 수단을 구비한 고체 촬상 장치가 제공된다.

고체 촬상 장치는 전하 적분 증폭기가 스탠바이 상태로 된 기간에서도, 상기 입력된 화소 신호가 상기 전하 적분 증폭기 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자를 더 포함할 수 있다.

전하 적분 증폭기는 귀환 용량 소자는 가변 용량 소자로 구현될 수 있다

본 발명의 또 다른 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역과, 상기 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 열들에 각각 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 수직 선택 회로와, 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호의 입력을 수신하도록 열들의 상기 수직 신호선에 각각 제공되는 전하 적분 회로와 같은 증폭기와, 복수의 수평 신호선과, 각각의 열의 상기 증폭기에 의해 유지된 화소 신호를, 상기 복수의 수평 신호선에 할당하여 상기 화소 신호가 상기 복수의 수평 신호선에 의해 전송되도록 하는 수평 선택 회로를 구비하는 고체 촬상 장치가 제공된다.

고체 촬상 장치는, 복수의 수평 신호선을 순차적으로 선택함으로써, 상기 복수의 수평 신호선에 의해 전송되어 오는 화소 신호에 기초하여 출력 화소 신호를 포함하는 직렬 데이터를 생성하는 멀티플렉서를 더 구비한다.

바람직하게는, 복수의 수평 신호선 사이에, 상기 멀티플렉서의 기준 전위에 기초하는 실드용 배선(shielding lines)이 제공되어 있다.

상기 수평 선택 회로는, 상기 복수의 수평 신호선을 통과하는 상기 각 증폭기의 출력들이 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩되는 방식으로 각각의 증폭기들의 출력들을 전송시킨다.

바람직하게는, 상기 수평 선택 회로는, 상기 증폭기들 각각에 대해서 공급되는 증폭기 제어 신호에 따라, 상기 증폭기들을, 온 상태와 스탠바이 상태 사이에서 개별적으로 전환 가능하도록 구성되고, 또한 상기 각각의 전하 적분 증폭기들을 상기 복수의 수평 신호선 중의 특정한 수평 신호선에 개별적으로 접속시키는 증폭기 선택 신호에 따라, 상기 증폭기들을, 상기 복수의 수평 신호선 중 하나에 개별적으로 접속시키는 것이 가능하도록 구성되고, 각각의 열에 제공되는 상기 증폭기들을 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온시켜 상기 수평 신호선에 접속시킴으로써, 상기 각각의 증폭기로부터 출력되는 화소 신호를, 복수의 수평 신호선에 의해 순차적으로 전송시킨다.

수평 선택 회로는, 상기 증폭기 제어 신호와 상기 증폭기 선택 신호를 공통의 신호로서 출력한다. 대안적으로, 공통의 신호를 이용하는 대신, 수평 선택 회로는, 상기 증폭기 선택 신호에 의해 증폭기들을 상기 수평 신호선에 접속하기 전에, 상기 증폭기 제어 신호에 의해 상기 각각의 증폭기를 턴온시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 수평 선택 회로는 시프트 레지스터를 갖고, 상기 수평 신호선의 개수와, 상기 증폭기들로부터 출력되는 화소 신호의 데이터 레이트에 따라서 결정된 펄스폭을 갖는 펄스 신호를, 상기 시프트 레지스터에 입력함으로써, 상기 증폭기 선택 신호를 발생시킨다.

상기 수평 선택 회로는, 상기 각각의 증폭기에 대한 상기 증폭기 제어 신호 각각을, 관련 증폭기에 대한 증폭기 선택 신호로서 기능하는 펄스와, 엣지 타이밍이 상기 펄스의 엣지 타이밍보다 앞선 펄스와의 논리 OR을 취함으로써 발생시킨다. 예를 들면, 제n 증폭기에 대한 제n 증폭기 선택 신호와, 제n-1 증폭기에 대한 제n-1 증폭기 선택 신호와의 논리 OR을 취함으로써, 증폭기들 중에서의 제n 증폭기에 대한 상기 증폭기 제어 신호가 발생된다.

증폭기가 전하 적분 증폭기일 때, 바람직하게는, 고체 촬상 장치는, 상기 수평 신호선에 의해 출력되는 화소 신호의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부와, 상기 수직 선택 회로에 의해 화소 신호가 판독되기 전에, 상기 전하 적분 증폭기의 귀환 용량 소자를, 상기 기준 전위 생성부에 의해 생성된 상기 기준 전위로 충전하는 충전 소자를 더 포함한다.

대안적으로, 고체 촬상 장치는 상기 수평 신호선을 통해 출력되는 화소 신호의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부를 더 구비하고, 상기 기준 전위가 상기 멀티플렉서의 출력 증폭기의 기준 전위로서 사용된다.

고체 촬상 장치는, 증폭기가 스탠바이 상태로 된 기간에서도, 상기 입력된 화소 신호가 상기 증폭기 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자를 더 구비한다.

증폭기가 전하 적분 증폭기일 때, 상기 전하 적분 증폭기의 귀환 용량 소자는 가변 용량 소자에 의해 구현될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 이루어진 촬상 화소 영역의 선택된 행에 대한 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 열들에 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와, 상기 각각의 열의 수직 신호선에 각각 제공된 전하 적분 증폭기에 의해 화소 신호를 유지하는 신호 유지 단계와, 상기 전하 적분 증폭기를 화소 신호를 유지하면서 스탠바이 상태가 되도록 하는 스탠바이 단계와, 상기 전하 적분 증폭기를 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온시켜, 전하 적분 증폭기에 의해 유지된 화소 신호를 수평 신호선에 의해 전송하는 수평 전송 단계를 포함하는 화소 신호 처리 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역의 선택된 행에 대한 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 열들에 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와, 상기 열들의 수직 신호선에 각각 제공된 전하 적분 증폭기에 의해 화소 신호를 유지하는 신호 유지 단계와, 상기 전하 적분 증폭기에 의해 유지된 화소 신호를 수평 신호선에 의해 순차적으로 전송하는 수평 전송 단계와, 상기 수평 신호선을 통해 출력되는 화소 신호의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성 단계와, 상기 수직 전송 단계에 의해 화소 신호가 판독되기 전에, 상기 전하 적분 증폭기의 귀환 용량 소자를, 상기 기준 전위 생성 단계에서 생성된 상기 기준 전위로 충전하는 충전 단계를 포함하는 화소 신호 처리 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역의 선택된 행에 대한 각각의 열의 촬상 화소로부터의 화소 신호를, 열들에 각각 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와, 상기 열들의 수직 신호선에 각각 제공된 증폭기에 의해 화소 신호를 유지하는 신호 유지 단계와, 각각의 열들의 상기 증폭기에 의해 유지된 화소 신호를, 복수의 수평 신호선에 할당하여, 화소 신호가 상기 복수의 수평 신호선에 의해 전송되도록 하는 수평 전송 단계를 포함하는 화소 신호 처리 방법이 제공된다.

전술한 고체 촬상 장치 및 화소 신호 처리 방법에 의하면, 선택된 행에 대한 열들의 화소 신호가 복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역(화소 어레이)으로부터 판독된다. 화소 신호는 수평 기간의 수평 블랭킹 기간에 병렬로 판독된다. 각각의 열의 화소 신호는 수평 기간의 유효 기간에서 전하 적분 증폭기를 통해 수평 신호선에 출력된 다음, 수평 전송된다.

본 발명의 상기 양태들은 각각의 열의 화소 신호의 병렬 판독에 관한 다음의 주된 특징을 갖는다.

(1) 각각의 열에 제공된 전하 적분 증폭기는, 수평 블랭킹 기간에서 판독되는 화소 신호를 유지하면서 스탠바이 상태로 들어간다.

(2) 각각의 열에 제공된 전하 적분 증폭기에서, 판독 동작시에 증폭기의 귀환 용량 소자의 프리차징을 위한 기준 전위가 흑 레벨에 기초하여 자동 제어된다.

(3) 병렬로 된 복수의 수평 신호선 HL을 이용하여 각 전하 적분 증폭기로부터 화소 신호가 수평으로 전송되어, 한 수평 신호선당 데이터 레이트가 감소된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 아날로그 신호를 유지하는 신호 유지 소자를 포함하는 아날로그 신호 유지부 - 상기 신호 유지 소자는 하나 이상의 행을 따라 배열됨 - 와, 상기 아날로그 신호 유지부의 각각의 열에 제공되고, 상기 신호 유지 소자의 신호값을 판독하는 증폭기와, 복수의 수평 신호선과, 상기 증폭기의 출력을 상기 복수의 수평 신호선에 할당하여, 출력이 복수의 수평 신호선에 의해 전송되도록 하는 수평 선택 회로를 구비하고, 상기 수평 선택 회로는, 상기 복수의 수평 신호선을 통과하는 출력이 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩되는 방식으로 증폭기들의 출력을 전송시키는 아날로그 신호 전송 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 아날로그 신호를 유지하는 신호 유지 소자 - 상기 신호 유지 소자는 하나 이상의 행을 따라 배열됨 - 를 포함하는 아날로그 신호 유지부로부터의 아날로그 신호를, 각 열에 제공되어 있는 수직 신호선에 출력시키는 수직 전송 단계와, 상기 각 열의 수직 신호선에 제공된 증폭기에 의해 아날로그 신호를 유지하는 신호 유지 단계와, 아날로그 신호가, 상기 복수의 수평 신호선에 의해, 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩한 타이밍에서 전송되도록, 상기 각각의 증폭기에 의해 유지된 아날로그 신호를 복수의 수평 신호선에 할당하는 수평 전송 단계를 포함하는 아날로그 신호 전송 방법이 제공된다.

아날로그 신호 전송 장치 및 아날로그 신호 전송 방법에 의하면, 각 증폭기로부터의 아날로그 신호가 병렬로 된 복수의 수평 신호선을 이용하여 수평으로 전송되기 때문에, 하나의 수평 신호선당 데이터가 레이트가 감소될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 고체 촬상 장치가, 수평 신호선 또는 수평 신호선들을 통해 출력되는 신호를 처리하기 위한 칩을 더 포함한다.

<실시 형태>

이하, 본 발명의 고체 촬상 장치 및 화소 신호 처리 방법에 대하여 제1 내지 제6 실시 형태에 의해 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1에, 본 발명의 제1 실시 형태의 구성을 도시한다. 도 1에 도시된 회로는 고체 촬상 장치에서 화소 어레이(1)에 의해서 얻어지는 촬상 화소 신호가 출력 단자(10)로부터 출력되도록 한다. 화소 어레이(1)에 대한 입사광로를 형성하는 렌즈계 및 출력 단자(10)의 후단에 제공되는 신호 처리계에 대해서는 도시 및 설명을 생략한다.

화소 어레이(1)는, 행 방향 및 열 방향으로 배치되는 다수의 촬상 화소(2)를 포함한다. 각각의 화소(2)는, 도 1에 도시된 바와 같이 접속된 포토다이오드 PD, 전송 트랜지스터 Ttr, 리세트 트랜지스터 Trst, 증폭 트랜지스터 Tg 및 선택 트랜지스터 Ts로 형성된다.

화소 어레이(1)의 각각의 열에 대한 촬상 화소(2)의 선택 트랜지스터 Ts는, 수직 신호선 VL(VL1, VL2…VLn)에 공통으로 접속되어 있다.
또한, 각각의 행에 대한 촬상 화소들(2)로부터 공통의 판독 제어가 행해지록, 리세트 제어선 Lrst, 전송 제어선 Ltr, 선택 제어선 Ls의 세트가, 화소 어레이(1)의 각각의 행에 제공된다. 리세트 제어선 Lrst, 전송 제어선 Ltr 및 선택 제어선 Ls에는, 수직 주사 회로(3)로부터 특정 타이밍으로 제어 펄스를 수신한다.

각각의 촬상 화소(2)에 대해, 리세트 트랜지스터 Trst의 게이트는 연관된 리세트 제어선 Lrst에 접속되고, 전송 트랜지스터 Ttr의 게이트는 연관된 전송 제어선 Ltr에 접속되며, 선택 트랜지스터 Ts의 게이트는 연관된 선택 제어선 Ls에 접속된다.

수직 주사 회로(3)는 화소 어레이(1)에서의 행들을 순차적으로 선택하여, 수직 신호선 VL에 의해 화소 신호가 판독된다. 자세히 후술하겠지만, 화소 어레이(1)의 각각의 행에 대해, 수직 주사 회로(3)는, 리세트 제어선 Lrst 및 선택 제어선 Ls에 펄스를 인가하여 리세트 레벨을 수직 신호선 VL에 공급한다. 수직 주사 회로(3)는 또한, 전송 제어선 Ltr 및 선택 제어선 Ls에 펄스를 인가하여 포토다이오드 PD에 축적된 전하에 따른 화소 신호를 수직 신호선 VL에 공급한다. 수직 주사 회로(3)는 촬상 화소(2)의 각각의 행에 대해 상술된 바와 같이 판독 동작을 순차적으로 실행한다.

선택된 1행에 대한 촬상 화소(2)의 화소 신호는, 1수평 기간의 수평 블랭킹 기간에 판독된다. 즉 수평 블랭킹 기간에서는, 수직 주사 회로(3)에 의해 선택된 1행에 대한 각 촬상 화소(2)로부터의 화소 신호가, 수직 신호선 VL1, VL2…VLn에 대해서 병렬적으로 출력되게 된다.

각 열, 즉 각 수직 신호선 VL1, VL2…VLn에 대해서는, 각각 전하 적분 증폭기(9)가 제공된다.

전하 적분 증폭기(9)는, 용량 소자 Ccp, Cs, 스위치 Ssh, Srt, Spc, Spx, Shd, 증폭기 A로 구성된다.

용량 소자 Ccp(Ccp1∼Ccpn)는, 증폭기 A(A1∼An)의 입력과 그와 연관된 수직 신호선 VL(VL1∼VLn) 사이에서 직렬로 배치된다.

용량 소자 Cs(Csl∼Csn)는, 증폭기 A(A1∼An)에 대한 귀환 용량 소자로서 기능한다.

증폭기 A(A1∼An)는 반전 증폭기로서 기능한다.

이 경우, 증폭기 A는 용량 귀환 증폭기로서 기능하고, 그것은 용량 소자 Ccp 및 Cs의 용량비에 의해 결정된 게인으로 신호를 출력한다. 촬상 화소(2)로부터 판독된 화소 신호 전하는, 용량 소자 Cs에 축적됨으로써, 전하 적분 증폭기(9)가 화소 신호 전하를 유지하는 기능을 갖는다.

또한 전하 적분 증폭기(9)를 구동하는 증폭기 구동 회로(4)가 제공된다. 이 증폭기 구동 회로(4)는, 신호 φSH, φRT, φPC, φXPC를 특정 타이밍으로 전하 적분 증폭기(9)에 공급한다.

각각의 전하 적분 증폭기(9)에서의 스위치 Ssh(Ssh1∼Sshn)는, 신호 φSH에 따라, 연관된 수직 신호선 VL로부터의 증폭기 A의 입력을 턴온 또는 턴오프한다.

스위치 Srt(Srt1∼Srtn)는 증폭기 A의 입출력을 단락시키는 기능을 하고, 신호 φRT에 따라서 턴온 또는 턴오프된다.

스위치 Spc(Spc1∼Spcn)은 충전계가 용량 소자 Cs에 접속하도록 하고, 신호 φPC에 따라서 턴온 또는 턴오프된다.

스위치 Spx(Spx1∼Spxn)은 용량 소자 Cs가 충전될 때 턴오프되고, 상기 신호 φPC의 반전 펄스인 신호 φXPC에 따라 턴온 또는 턴오프된다.

스위치 Shd(Shd1∼Shdn)은 증폭기 A의 출력이 홀드 전압 Vhd로 고정될 때에 턴온된다.

또 도 1에서는, n열에 대한 전하 적분 증폭기(9)가 나타나 있고, 전하 적분 증폭기(9)의 구성소자는 각각의 열에 따라서 「1」∼「n」을 붙이면서 부호(A, Ccp, Ssh 등)에 의해 나타낸다. 그러나, 도시하지 않은 n+1 열 이후도 필요에 따라 다수의 열(즉, 수직 신호선 VL)이 형성되어, 전하 적분 증폭기(9)가 또한 열들 각각에 제공되어 있다.

각 전하 적분 증폭기(9)의 출력단(증폭기 A1∼An…의 출력단)은, 각각 스위치 Ssl(Ssl1∼Ssln, Ssl(n+1)…)을 통하여, 수평 신호선 HL에 접속된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 수평 신호선 HL은, n개의 수평 신호선 HL1∼HLn을 포함한다.

제1열째의 증폭기 A1은, 스위치 Ssl1을 통하여 수평 신호선 HL1에 접속된다. 제2열째의 증폭기 A2는, 스위치 Ssl2를 통하여 수평 신호선 HL2에 접속된다. 이후열의 증폭기 A도 마찬가지로 접속되고, 제n열째의 증폭기 An은, 스위치 Ssln을 통하여 수평 신호선 HLn에 접속된다.

또한, 제n+1열째의 도시하지 않은 증폭기 An+1은, 스위치 Ssl(n+1)를 통하여, 제1열째의 증폭기 A1에 접속된 수평 신호선 HL1에 접속된다. 제n+2열째의 이후열의 도시하지 않은 증폭기들도, 수평 신호선 HL2, HL3…에 순서대로 접속되게 된다.

즉, 화소 어레이(1)가 M열을 갖는다고 하면, 그 M열에 대한 전하 적분 증폭기(9)는, 순서대로 할당되어 n개의 수평 신호선 HL1∼HLn에 접속된다.

수평 주사 회로(5)는, 전하 적분 증폭기(9)를 순차적으로 선택하여, 전하 적분 증폭기(9)로부터 출력된 화소 신호는, 전하 적분 증폭기(9)에 각각 접속된 수평 신호선 HL에 의해 전송된다. 이 때문에 수평 주사 회로(5)는, 스위치 Ssl(Ssl1∼Ssln, Ssl(n+1)…)에 대해서 증폭기 선택 신호 φS(φS1∼φSn…)을 출력한다. 증폭기 선택 신호 φS에 의해서 턴온된 스위치 Ssl와 연관된 전하 적분 증폭기(9)가, 연관된 수평 신호선 HL에 화소 신호를 출력하게 된다.

또한 수평 주사 회로(5)는, 각각의 증폭기 A가 스탠바이 상태 또는 온 상태가 되도록 제어하기 위해 증폭기 A1 내지 An...에 증폭기 제어 신호 φP(φP1∼φPn…)을 출력한다. 이것에 의해서 각 증폭기 A를 개별로 온 상태/스탠바이 상태로 제어할 수 있다. 즉, 증폭기 제어 신호 φP으로서 역할을 하는 펄스가 H 상태이면 펄스를 수신하는 증폭기 A는 통상적으로 동작한다. 반면, 증폭기 제어 신호 φP으로서 역할을 하는 펄스가 L 상태이면 펄스를 수신하는 증폭기는 스탠바이 상태로 되어 전류가 흐르지 않는다.

수평 주사 회로(5)는, 증폭기 선택 신호 φS와 증폭기 제어 신호 φP에 의해 수평 전송 제어를 행한다. 구체적으로는, 예를 들면 제1열째의 전하 적분 증폭기(9)로부터의 화소 신호를 수평 전송할 때에는, 수평 주사 회로(5)는, 우선 증폭기 제어 신호 φP1에 의해 증폭기 A1을 스탠바이 상태로부터 온 상태로 복귀시킨다. 그 후, 수평 주사 회로(5)는 증폭기 선택 신호 φs1에 의해 스위치 Ssl1을 턴온시킨다.

증폭기 제어 신호 φP는 또한, 인버터 IV를 통하여 연관된 스위치 Shd에 각각 공급되고, 증폭기 제어 신호 φP에 따라 스위치 Shd가 턴온 또는 턴오프된다. 따라서, 증폭기 A가 스탠바이일 때에는 연관된 스위치 Shd는 턴온되고, 증폭기 A가 턴온으로 되면 연관된 스위치 Shd는 턴오프된다.

또한 본 예에서는, 복수의 수평 신호선 HL이 제공되어 있기 때문에, 전하 적분 증폭기(9)의 출력이 병렬로 전송된다. 이 때문에 출력측에는 멀티플렉서(8)가 제공되어, 출력을 한개로 통합하도록 한다. 즉 수평 신호선 HL1∼HLn에 의해 전송되어 오는 각각의 열의 화소 신호는, 멀티플렉서에 의해 순차적으로 선택됨으로써, 1개의 수평 신호선 HL만이 제공된 경우와 마찬가지로, 화소 신호는 직렬 데이터의 형태로 출력 단자(10)로부터 후단의 회로에 출력되게 된다.

또한, 출력되는 화소 신호의 레벨을 검지하여 적절한 흑 레벨로 설정하는 흑 레벨 제어 회로(6)가 제공된다. 흑 레벨 제어 회로(6)는 클램프 전압 출력 증폭기(7)를 통하여, 전하 적분 증폭기(9)에서의 스위치 Spc 각각의 일단으로 신호를 피드백한다.

상술된 바와 같이 구성된 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 동작은 도 2에 도시된 타이밍차트를 참조하여 설명한다.

기본적으로, 화소 신호는 수평 블랭킹 기간 내에 판독된다. 수평 블랭킹 기간에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 리세트 기간에서의 동작과 판독 기간에서의 동작이 행해진다.

리세트 기간이 개시될 때에는, 수평 주사 회로(5)에 의해 증폭기 제어 신호 φP(φP1, φP2…)가 모두 H 상태로 되어, 모든 열에 대한 증폭기 A가 스탠바이 상태에서 온 상태로 복귀한다.

화소 어레이(1)에 대하여, 수직 주사 회로(3)에 의해 임의의 1행의 촬상 화소(2)가 선택된다. 즉, 임의의 1행의 선택 트랜지스터 Ts가 턴온된다. 그 후 그 행의 리세트 트랜지스터 Trst가 턴온되어, 리세트 레벨 Voff가 그 행의 증폭 트랜지스터 Tg를 통하여 수직 신호선 VL에 나타난다.

리세트 레벨 Voff는 촬상 화소(2)의 리세트 노이즈와 증폭 트랜지스터 Tg의 임계 전압의 변동을 포함하여, 리세트 레벨 Voff는 각각의 촬상 화소(2)에 대해 다른 값을 취한다.

이 때, 각각의 전하 적분 증폭기(9)에서는, 신호 φRT에 의해 스위치 Srt가 턴온되고, 이 때문에 증폭기 A의 입출력이 단락되어 귀환(feedback)을 일으켜, 증폭기 A의 임계 전압 Vat이 출력 Vrout에 나타난다.

동시에 신호 φPC에 의해 스위치 Spc가 턴온되고, 신호 φXPC에 의해 스위치 Spx가 턴오프됨으로써, 용량 소자 Cs의 일단은 클램프 전압 출력 증폭기(7)에 의한 클램프 전압 Vcp로 고정된다.

이 때, 용량 소자 Cs는 임계 전압 Vat을 기준으로 하여 클램프 전압 Vcp의 전위를 유지하게 된다.

또한, 용량 소자 Ccp는 임계 전압 Vat을 기준으로 하여 관련 촬상 화소(2)의 리세트 전압 Voff를 유지하게 된다.

다음으로 신호 φRT 및 φPC가 하강하게 됨으로써, 스위치 Srt 및 Spc가 순서대로 턴오프되고, 그 후 신호 φXPC가 상승하게 되어 스위치 Spx가 턴온된다.

스위치 Spx가 턴온될 때, 용량 소자 Cs를 통하여 증폭기 A에 귀환이 제공되어, 증폭기 A의 입력은 이전과 동일한 임계 전압 Vat을 유지한다. 따라서 증폭기 A의 출력 Vout에는 용량 소자 Cs에 유지된 전하에 의해서, 클램프 전위 Vcp가 나타난다.

계속해서 판독 기간이 개시된다.

우선 수직 주사 회로(3)에 의해서 선택된 행의 촬상 화소(2)에서의 전송 트랜지스터 Ttr이 턴온되어 포토다이오드 PD로부터 전하가 전송됨에 따라, 촬상 화소(2)로부터 수직 신호선 VL에 신호 레벨 Vsig가 출력된다.

이 신호는 전술된 리세트 레벨 Voff에 중복하여 나타나기 때문에, 신호는 Voff-Vsig로서 표현될 수 있다.

각각의 전하 적분 증폭기(9)는 리세트 레벨 Voff의 값을 용량 소자 Ccp에 기억하고 있기 때문에, 전하 적분 증폭기(9)는 리세트 레벨 Voff로부터의 변화량만을 적분하여 그 결과를 출력한다. 이 때, 용량비에 의해서 판독의 게인이 결정되고, 다음 수학식에서 나타낸 바와 같이, 전하 적분 증폭기(9)의 출력 전압을 Vout으로 하여,

로 된다. 이 수학식 1에서 알 수 있듯이, 이 출력 Vout은 촬상 화소(2)의 리세트 레벨 Voff 또는 증폭기 A의 임계 전압 Vat에 의존하지 않는다.

상술된 판독 동작에서, 판독 순서는 촬상 화소(2)로부터 리세트 레벨 Voff를 판독한 후에 신호 레벨 Vsig를 판독한다. 대안으로서, 그 순서는 신호 레벨 Vsig를 판독한 후에 리세트 레벨 Voff를 판독하도록 해도 된다.

다음으로, 수평 블랭킹 기간부터 유효 기간으로 동작이 진행한다. 이 때, 증폭기 제어 신호 φP(φP1, φP2…)은 일단 전부 L 상태로 된다. 이 때문에, 각각의 열의 증폭기 A는 스탠바이 상태로 되어 전류가 흐르지 않는다.

그런데 이 때, 어떤 수단을 강구하지 않으면 증폭기 A의 출력은 미정(indeterminate)된다. 출력이 미정되면, 용량 소자 Cs에 저장된 신호는 반드시 유지되지는 않는다.

보다 구체적으로, 스위치 Ssh가 NMOS 트랜지스터에 의해 구현된다고 가정하면, 스위치 Ssh는 그 게이트 전압을 GND 레벨로 함으로써 오프 상태가 되도록 한다. 그러나, 증폭기 A의 출력이 미정이기 때문에, 누설 전류 등의 영향으로 증폭기 A의 출력 Vout은 GND 레벨까지 저하될 수 있다. 그렇게 되면 증폭기의 입력은 용량 소자 Cs를 통하여 마이너스 전위로 저하된다. 따라서, NMOS 트랜지스터의 소스 전압은 그의 게이트 전압보다 낮아지고, 스위치 소자 Ssh가 턴온되어 용량 소자 Cs로부터 신호 전하가 유출하게 된다. 물론, 상술된 바와 같이 신호 전하가 용량 소자 Cs를 통해 유출되게 되면, 증폭기 A가 온 상태로 복귀되어도, 올바른 화소 신호를 수평 신호선 HL에 공급할 수 없게 된다.

따라서, 본 예에서는, 이와 같은 상황을 방지하기 위하여, 증폭기 제어 신호 φP를 인버터 IV에 의해 반전시켜, 이 반전 펄스에 의해 스위치 소자 Shd를 제어한다. 즉, 증폭기 A가 스탠바이 상태로 될 때에는, 이 반전 펄스에 의해 스위치 소자 Shd를 턴온시켜, 증폭기 A의 출력 Vout을 사전결정된 홀드 전압 Vhd로 고정되도록 한다.

이렇게 함으로써, 증폭기 A를 스탠바이 상태로 해도, 증폭기 A의 출력 Vout이 미정으로 되는 것을 방지하여, 용량 소자 Cs에 저장된 데이터의 손실을 방지한다.

이 때, 증폭기 A의 입력의 전압 Vin은, 용량 소자 Cs에 저장된 전하량에 의해서 결정되어,

로 나타낸다.

용량 소자 Ccp 및 Cs의 용량, 및 신호 전하 Vsig의 최대량을 고려하여, 이 입력 전압 Vin의 전위가 마이너스가 되지 않도록, 홀드 전압 Vhd의 값이 선택되는 것이 바람직하다. 특히 사용하고 있는 프로세스의 NMOS 트랜지스터의 오프 누설이 큰 경우에는, 입력 전압 Vin의 값을 너무 낮게 하지 않도록 하여, NMOS 트랜지스터에 백워드 바이어스가 일정하게 걸리도록 하여, 누설을 줄이는 고려도 필요하게 된다.

상기 설명은 스위치 Ssh가 NMOS 트랜지스터에 의해 구현되는 경우의 예이다. 스위치 Ssh가 PMOS 트랜지스터에 의해 구현되는 경우에는, 그 소스 전압이 그 게이트 전압보다도 높은 값이 되지 않도록 하는 고려가 필요해진다.

상기한 바와 같이, 스위치 Shd와 고정의 홀드 전위 Vhd의 동작에 의해, 증폭기 A를 스탠바이 상태로 해도 수평 블랭킹 기간에 판독한 신호를 용량 소자 Cs에 유지하는 것이 가능해진다.

그 후, 신호가 수평으로 전송될 때에 증폭기 A가 스탠바이 상태로부터 복귀되도록 하면 된다. 따라서, 실제로 전류가 흐르는 시간이 매우 짧아져서, 종래예에 비하여 소비 전력이 감소된다.

각각의 열에 제공된 증폭기 A에 의해 수평 전송이 구동된다.

촬상 화소(2)의 신호를 수직 방향으로 판독할 때에는 수평 블랭킹 기간을 이용하여 신호를 천천히 판독할 수 있지다. 수평 방향의 경우에, 사전결정된 데이터 레이트로 신호를 전송해야만 하여, 고속 동작이 필요하게 된다. 수평 신호선 HL은 길고, 다수의 스위치가 접속되어 있기 때문에 기생 용량이 많으므로, 수평 신호선 HL을 고속으로 구동하는 것은 소정 정도의 구동 능력을 필요로 한다. 각각의 열에 대해 레이아웃해야만 하는 증폭기 A에 의해 수평 신호선 HL을 구동하는 것은 곤란하여, 레이아웃 면적이 증대된다.

그래서 본 예에서는, 상술한 바와 같이 복수개의 수평 신호선 HL1∼HLn이 제공되고, 신호가 병렬 전송되어 데이터 레이트를 감소시킨다. 수평 신호선 HL의 개수(n개)는 제한이 없다. 수평 신호선 HL의 개수가 증가됨에 따라 1개의 선 당 데이터 레이트가 감소된다. 통상, 수평 신호선 HL의 개수는 구동 속도가 수평 블랭킹 기간의 판독 동작과 실질적으로 동일하도록 하는 것이 바람직하다.

도 2의 유효 기간에서는, 상기한 바와 같이 증폭기 제어 신호 φP가 모두 L 상태로 된 후, 수평 주사 회로(5)는 제1열째로부터 1개씩 순서대로 증폭기 제어 신호 φP를 사전결정된 기간 동안 H 레벨로 하여, 각각의 열의 증폭기 A를 순차적으로 기동한다. 동시에 수평 주사 회로(5)는 증폭기 선택 신호 φS에 의해 스위치 소자 Ssl을 순차적으로 턴온하여, 수평 신호선 HL을 통하여 신호를 전송한다.

보다 구체적으로, 유효 기간에서는, 우선 제1열째의 화소 신호의 수평 전송을 위해, 증폭기 제어 신호 φP1이 H 레벨로 되어 증폭기 A1이 스탠바이 상태로부터 기동된다. 그 직후에 증폭기 선택 신호 φS1이 H 레벨로 되어, 증폭기 A1의 출력이 수평 신호선 HL1에 의해 전송되게 된다.

계속해서, 1 화소분의 전송 타이밍만큼 시프트되어, 제2열째의 화소 신호의 수평 전송을 위해, 증폭기 제어 신호 φP2가 H 레벨로 되어 증폭기 A2가 스탠바이 상태로부터 기동된다. 그 직후에 증폭기 선택 신호 φS2가 H 레벨로 되어, 증폭기 A2의 출력이 수평 신호선 HL2에 의해 전송되게 된다.

이와 같이 하여, 순차적으로 각 열에 대한 수평 전송이 행해진다.

따라서, 각 증폭기 A1, A2…는 일 화소 기간씩 타이밍 시프트하면서 1열씩 순차적으로 동작한다. 또한 스위치 Ssl1, Ssl2…는 수평 신호선 HL에 순서대로 주기적으로 접속된다.

증폭기 선택 신호 φS는, 수평 신호선 HL의 개수에 기초하여 결정된 폭을 갖는 펄스이다. 증폭기 선택 신호 φS는 1 화소 기간만큼 순서대로 시프트되기 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이 증폭기 선택 신호 φS는 중첩 기간을 갖고 있다. 도 2의 예에서는 수평 신호선 HL의 개수가 5개임이 가정된다.

증폭기들 A에 유지된 화소 신호는, 관련 증폭기 선택 신호 φS가 H 레벨인 동안에, 연관된 수평 신호선에 의해서 각각 전송된다. 따라서, 예를 들면 도 7의 (a), 도 7의 (b), 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 각각의 증폭기 A의 출력은, 1클럭 기간씩 타이밍 시프트하면서 오버랩되도록 연관된 수평 신호선 HL에 의해 전송된다.

관련 증폭기 선택 신호 φS가 H 레벨 동안에 신호를 수평 전송하게 되기 때문에, 증폭기 제어 신호 φP도 그 기간에만 H 레벨로 되어 증폭기를 기동한다. 그러나, 이 예에서는 증폭기 A의 기동에 다소 시간이 걸리는 것을 고려하여, 증폭기 선택 신호 φs보다 먼저 증폭기 제어 신호 φP를 기동한다. 즉, 증폭기들 A1, A2…는, 증폭기 제어 신호 φP에 의해 턴온되도록 제어된 후에, 증폭기 선택 신호 φS에 의해 수평 신호선에 접속된다.

증폭기 제어 신호 φP, 증폭기 선택 신호 φS를 발생시키는 수평 주사 회로(5)는, 일례로서 도 3과 같은 간단한 회로에 의해 실현할 수 있다.

도 3의 수평 주사 회로(5)는, 플립플롭 FF(FF1, FF2∼FFn…)에 의해 구현되는 시프트 레지스터와, OR 게이트 OR1, OR2∼ORn, …을 포함한다. 도 4는 수평 주사 회로(5)의 동작 타이밍을 도시한다.

각 플립플롭 FF는, 도 4에 도시한 클럭 Hclk가 공급되는 클럭 입력 단자를 포함하고, 이 클럭 Hclk의 타이밍에서 D 입력을 래치한다. 이 클럭 Hclk는 화소 신호의 데이터 레이트와 동일한 클럭 레이트를 갖는다.

선두의 플립플롭 FF1에 대한 D 입력으로서는, 도 4에 도시한 데이터 펄스 Hdata가 공급된다. 데이터 펄스 Hdata는, 도 4와 같이 클럭레이트에 대하여 광폭의 펄스를 갖는다.

각각의 플립플롭 FF1, FF2, FF3…의 Q 출력(래치 출력)이, 각각 증폭기 선택 신호 φS1, φS2, φS3…으로서 역할을 한다.

또한, 증폭기 제어 신호 φP(φP1, φP2, φP3…)은, OR 게이트 OR(OR1, OR2, OR3…)의 출력으로서 얻어진다.

OR 게이트 OR1은, 공급된 데이터 펄스 Hdata와 플립플롭 FF1의 Q 출력의 논리 OR을 취하여 증폭기 제어 신호 φP1을 생성한다. OR 게이트 OR2는 플립플롭 FF2의 Q 출력과 플립플롭 FF1의 Q 출력의 논리 OR을 취하여 증폭기 제어 신호 φP2를 생성한다. OR 게이트 OR3은 플립플롭 FF3의 Q 출력과 플립플롭 FF2의 Q 출력의 논리 OR을 취하여 증폭기 제어 신호 φP3을 생성한다.

즉, 제n 증폭기 An에 대한 증폭기 제어 신호 φPn은, 제n 증폭기 An에 대한 증폭기 선택 신호 φSn과, 제n-1 증폭기 An-1에 대한 증폭기 선택 신호 φSn-1의 논리 OR을 취함으로써 생성된다.

본 예에서는, 복수개의 수평 신호선 HL을 이용하여 수평 전송을 행하기 위해, 증폭기 선택 신호 φS는, 화소 신호의 데이터 레이트×수평 신호선 개수에 대응하는 펄스폭을 가져야 한다. 도 3과 같은 단순한 시프트 레지스터 회로를 이용하여 구현된 단순한 수평 주사 회로(5)에 대하여, 화소 신호의 데이터 레이트×신호선 개수에 대응하는 펄스폭을 갖는 데이터 펄스 Hdata를 입력함으로써, 필요한 펄스폭을 갖고, 또한 화소 신호의 데이터 레이트에 맞추어서 시프트해가는 펄스, 즉 증폭기 선택 신호 φS1, φS2…를 용이하게 생성할 수 있다.

또한, 증폭기 A의 스탠바이로부터의 복귀에 이용하는 증폭기 제어 신호 φP에 관해서는, 상술한 바와 같이, 증폭기 제어 신호 φPn이 증폭기 선택 신호 φS보다도 앞에 갖는 것이 요구된다. 도 3에 도시된 OR 게이트를 구비한 회로가 사용되어, 증폭기 선택 신호 φSn의 펄스와, 그 앞의 증폭기 선택 신호 φSn-1의 펄스의 논리 OR을 취하여, 증폭기 제어 신호 φPn을 생성한다. 따라서, 증폭기 선택 신호 φSn보다도 앞서 상승하고, 증폭기 선택 신호 φSn과 동시에 하강하는 증폭기 제어 신호 φPn을 용이하게 생성할 수 있다.

즉 수평 주사 회로(5)는, 연관된 증폭기 A(x)에 대한 증폭기 선택 신호 φS(x)로서의 펄스와, 엣지 타이밍이 진행되고 있는 펄스(즉, 보다 먼저 선택되는 증폭기 A(y)에 대한 증폭기 선택 신호 φS(y))와의 논리 OR을 취함으로써 각각의 증폭기 A1, A2…에 대한 각각의 증폭기 제어 신호 φP1, φP2...를 생성한다.

또, 이 도 3, 도 4의 예에서는, 증폭기 제어 신호 φPn은 1클럭만큼 증폭기 선택 신호 φSn보다 일찍 상승한다. 만일 증폭기 제어 신호 φPn이 2 클럭만큼 일찍 상승하고자 하는 경우에는, 증폭기 선택 신호 φSn과 증폭기 선택 신호 φSn-2의 논리 OR을 취하여 증폭기 제어 신호 φPn을 생성한다. 동일한 방법으로 증폭기 제어 신호 φPn을 복수 클럭만큼 일찍 상승시키는 것도 가능하다. 그러나, 도 3의 구성에서 선두의 증폭기 제어 신호 φP1을 증폭기 선택 신호 φS1보다 2클럭만큼 일찍 상승시킬 수 없기 때문에, 시프트 레지스터에서의 플립플롭 FF1의 전단에 여분의 플립플롭을 제공하여 더미 시프팅(dummy shifting)한다는 점에 주목한다.

상술된 예의 수평 주사 회로(5)에 의해서, 증폭기 제어 신호 φP가 상승하면 스위치 Shd가 턴오프되고, 증폭기 A의 출력은 다시 상기 수학식 1에서 나타낸 값으로 복귀된다.

수평 전송이 완료되고 증폭기 선택 신호 φS가 하강하면, 증폭기 제어 신호 φP도 하강하고 증폭기 A는 스탠바이 상태로 복귀된다.

상술된 증폭기 구동 방법에 의해, 열들에 대해 각각 제공되는 증폭기 A는 수평 신호선 HL의 개수와 동일한 수가 기동된다. 그 외의 증폭기 A는 스탠바이 상태로 되어 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 소비 전력이 낮다. 또한 수평 신호선 HL의 1개당 데이터 레이트가 내려가기 때문에, 증폭기 A는 높은 구동 능력을 필요로 하지 않아, 각각의 열에 대한 증폭기 A를 레이아웃하는 것이 가능하다.

도 5a∼도 5d는 각각의 열에 대해 제공된 증폭기 A의 구체적 회로예를 나타낸다. 모든 예에서, 반전 증폭기를 형성하고 있다. 도 5a는 일반적인 소스 접지 증폭기로서, 스탠바이용으로 트랜지스터 T10이 추가 제공되어 있다. 여기서 신호 xφP는 신호 φP의 반전 펄스이다.

도 5b는 차동 증폭기형으로서, 귀환이 제공된 경우에 임계 전압 Vat를 Vref에 의해 제어할 수 있다는 이점이 있다. 또한 본 예에서, 스탠바이용으로 트랜지스터 T10이 추가 제공되어 있다.

도 5c는 소스 접지 증폭기 a1의 이득을 높이기 위해서 보조 증폭기 a2가 제공된 레귤레이티드 캐스코드(Regulated Cascode)를 나타낸다. 레귤레이티드 캐스코드에 대해서는 IEEE Journal of Solid-State Circuit Vol25. No1, February1990에 자세히 기재되어 있다. 본 예에서도 스탠바이용 트랜지스터 T10을 추가 제공하고 있다.

도 5d는 스탠바이용 트랜지스터 T10이 상이한 방법으로 제공되는 변형도를 나타낸 것으로, 트랜지스터가 직렬로 배치되지 않아 변동에 대한 무감각성이 향상된다. 이 도 5d의 회로는 도 5a의 회로의 변형도이지만, 스탠바이 트랜지스터에 대한 유사한 접속이 도 5b에 도시된 회로에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 수평 전송은, 복수의 수평 신호선 HL에 의해서 병렬적으로 행해지고, 복수의 수평 신호선 HL은 멀티플렉서(8)에 의해서 순차적으로 선택되어 출력된다.

멀티플렉서(8)의 회로예를 도 6에 도시한다.

멀티플렉서(8)는, 수평 신호선 HL1∼HLn에 각각 연관된 샘플링 회로(51-1∼51-n) 및 출력 증폭기(50)를 포함한다.

샘플링 회로(51-1∼51-n) 각각은, 각각 4개의 스위치 Sm 및 용량 소자 Cm에 의해 형성된다.

예를 들면 샘플링 회로(51-1)는, 스위치 Sm11, Sm21, Sm31, Sm41과 용량 소자 Cm1을 포함한다. 스위치 Sm11, Smi21, Sm31, Sm41은, 신호 φm11, φm21, φm31, φm41에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 신호 φm11, φm21, φm 31, φm41은, 예를 들면 멀티플렉서(8) 내의 (도시하지 않은) 타이밍 발생기에 의해 생성되어, 그 신호는 수평 동기 신호를 기준으로 하여 특정 타이밍으로 H 레벨로 된다.

삭제

스위치 Sm11은 수평 신호선 HL1이 용량 소자 Cm1에 접속되도록 한다. 스위치 소자 Sm21은, 용량 소자 Cm1의 기준이 기준 전압 Vref1에 접속되도록 한다. 스위치 Sm31 및 Sm41은, 용량 소자 Cm1의 전하가 출력 증폭기(50)에 전송되도록 한다. 즉, 스위치 Sm31 및 Sm41이 턴온되면, 용량 소자 Cm1은 출력 증폭기(50)의 귀환 경로에 접속된다.

다른 샘플링 회로(51-2∼51-n)도, 샘플링 회로(51-1)와 유사하게 구성된다.

또한 출력 증폭기(50)의 비반전 입력 V+에는 기준 전압 Vref2가 접속되어 있다.

도 7에, 이러한 멀티플렉서(8)의 동작 타이밍차트를 도시한다.

상기 도 2에서 설명한 바와 같이, 수평 신호선 HL을 구동하는 각각의 열의 증폭기 A는 1화소 기간씩 타이밍 시프트하면서 동작하고 있기 때문에, 그 출력도 1화소 기간씩 순차적으로 시프트된다.

상술한 수평 전송 동작에 의해, 증폭기 A에 의해 유지된 화소 신호는, 도 7의 (a), 도 7의 (b), 도 7의 (c)의 신호 D1, D2, D3으로서 나타낸 바와 같이, 복수의 수평 신호선 HL 상에서, 1클럭 기간(1 화소 기간)씩 시프트하면서 오버랩되도록 전송되고 있다.

도 7의 (a) 및 도 7의 (d)를 참고하여, 수평 신호선 HL1 및 샘플링 회로(51-1)에 대해 설명한다.

t0 시점에서, 신호 φm11, φm21이 H 레벨로 되고, 이에 따라 스위치 Sm11, Sm21은 모두 턴온된다. 수평 신호선 HL1의 출력은 기준 전압 Vref1을 기준으로 하여 용량 소자 Cm1을 충전한다.

t1 시점에서, 신호 φm11이 L 레벨로, 또한 t2 시점에서 신호 φm21이 L 레벨로 된다. 따라서, 스위치 Sm11, Sm21이 순서대로 턴오프되어, 용량 소자 Cm1에 의해 수평 신호선 HL1의 전압이 샘플링되게 된다.

마지막으로 t3 시점에서, 신호 φm31, φm41을 동시에 H 레벨로 함으로써, 스위치 Sm31과 Sm41이 동시에 턴온되어, 용량 소자 Cm1이 출력 증폭기(50)에 접속된다.

용량 소자 Cm1은, 출력 증폭기(50)의 출력 단자 Vout과, 그의 마이너스 입력 단자 V- 사이에 접속되기 때문에, 가상 접지가 발생하고, 출력 증폭기(50)는 기준 전압 Vref2를 기준으로 하여 용량 소자 Cm1에 저장된 전위차를 출력 Vout으로서 출력한다. 수평 신호선 HL1의 출력을 Vhl1, 증폭기의 출력 전압을 Vout로 하면, 출력 전압 Vout은,

으로서 표현될 수 있다.

또, 여기에서 기준 전압 Vref1이 기준 전압 Vref2과 동일하다고 가정하면, 수학식 3은,

로 된다. 따라서, 수평 신호선 HL1의 출력, 즉 상술한 수학식 1에서 나타낸 증폭기 A의 출력이 그대로 출력되게 된다. 바람직하게는, 값을 선택하는데 특별한 이유가 없으면 기준 전압 Vref1 및 Vref2가 동일하도록 선택된다.

이상은 수평 신호선 HL1 및 샘플링 회로(51-1)에만 주목하였지만, 도 7의 (b), 도 7의 (c), 도 7의 (e), 도 7의 (f), 도 7의 (g)를 참조하여 이해할 수 있는 바와 같이, 샘플링 회로(51-2∼51-n)는 수평 신호선 HL2∼HLn에 대해서도 1화소 기간씩 타이밍 시프트하면서 마찬가지의 동작을 반복하여, 출력 증폭기에는 연속적으로 데이터가 전송되게 되어 있다.

이에 의해, 예를 들면 도 7의 (a), 도 7의 (b), 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이 수평 신호선 HL1, HL2, HL3에 나타나는 신호 D1, D2, D3가, 도 7의 (h)의 출력 Vout에서의 직렬 데이터로의 형태로 출력되게 된다.

상술된 회로에 의해 멀티플렉서(8)를 구현함으로써, 복수의 수평 신호선 HL1∼HLn을 통해 병렬로 전송된 데이터가 1개 선의 직렬 데이터로 효율적으로 변환된다. 상술된 예에는 1개의 출력 증폭기(50)만이 제공되어 있지만, 복수의 출력 채널을 형성하기 위해 복수의 출력 증폭기가 제공될 수 있다. 이는 스위치 Sm3*와 Sm4*의 접속처와 동작 타이밍을 바꾸는 것만으로 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 전하 적분 증폭기(9)를 이용하여 효율적으로 화소 신호를 판독하는 것이 가능하다. 또한 흑 레벨 제어 회로(6) 및 클램프 전압 출력 증폭기(7)에 의해 용량 소자 Cs의 프리차지 전압이 생성되기 때문에, 증폭기 A의 임계 전압 간의 변동의 영향을 받지 않고 흑 레벨을 제어하는 것이 가능하다.

또한 유효 기간에서는, 전하 적분 증폭기(9)는 수평 블랭킹 기간에 판독한 신호를 유지한채 스탠바이 상태로 돌입하는 것이 가능하다. 이 때문에 전하 적분 증폭기(9)는 수평 전송의 타이밍 때에만 기동되고 그 외의 기간에는 스탠바이 상태로 들어 감으로써 소비 전력이 상당히 감소된다.

또한 복수의 수평 신호선 HL1∼HLn을 이용하여 수평 전송을 병렬로 행함으로써, 수평 신호선 HL 1개당 데이터 레이트가 낮아진다. 따라서, 각각의 열에 대해 레이아웃된 낮은 구동 능력을 갖는 증폭기 A에 의해 수평 신호선 HL을 구동하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 높은 구동 능력을 갖는 증폭기를 제공함으로써 발생되는 레이아웃 면적의 증대는 회피된다. 또한, 멀티플렉서(8)를 제공함으로써 복수의 수평 신호선 HL1∼HLn에 의해 병렬 전송된 데이터는 직렬 데이터로 효율적으로 변환된다.

<제2 실시 형태>

도 8에 제2 실시 형태의 구성을 나타낸다. 실시 형태에 대한 이하의 설명에서, 도 1과 대응하는 부분은 동일 부호를 붙여서, 설명을 생략한다.

도 8에 도시된 구성은 도 1에 도시한 제1 실시 형태와 기본적으로 동일하지만, 수평 주사 회로(5)로부터 출력된 신호 φS(φS1,φS 2…)가, 증폭기 제어 신호 및 증폭기 선택 신호로서 공용되어 있는 점이 서로 다르다.

즉 수평 주사 회로(5)는 증폭기 A의 스탠바이 제어, 및 스위치 Shd의 제어를 위해서 신호 φS를 공급하고 있다.

상기 제1 실시 형태의 경우, 증폭기 A의 스탠바이 상태로부터의 복귀 시간을 고려하여, 도 2에서 설명한 바와 같이 증폭기 제어 신호 φP가 증폭기 선택 신호 φS보다 다소 일찍 상승되도록 한다. 증폭기 A가 스탠바이 상태로부터 복귀하는데 많은 시간이 걸리지 않는 경우에는, 도 8과 같이 신호 φP로서 신호 φS를 사용하는 것이 가능하다.

이와 같이 함으로써 수평 주사 회로(5)의 간단화가 도모되고, 또한 세로 배선(열 방향의 배선)의 개수가 감소하기 때문에 레이아웃도 간단해진다.

증폭기 A를 스탠바이 상태로부터 복귀시키는 증폭기 제어 신호 φP와, 증폭기 A를 수평 주사선 HL에 접속하는 증폭기 선택 신호 φS를 공용하는 경우에는, 수평 주사 회로(5)는 도 9와 같은 회로로 실현 가능하다.

이 도 9의 구성은, 증폭기 제어 신호 φP를 생성하기 위한 OR 게이트를 삭제되는 상술한 도 3의 구성과 상이하고, 따라서, 도 9에 도시된 구성은 도 3에 도시된 구성보다 단순하다. 도 10은 도 9에 도시된 구성의 동작 타이밍을 도시하는데, 증폭기 제어 신호 φP가 생략된(즉, 증폭기 선택 신호 φS가 증폭기 제어 신호 φP로서도 기능함) 것을 제외하면 도 4에 도시된 동작 타아밍과 동일하다.

<제3 실시 형태>

도 11에 본 발명의 제3 실시 형태를 도시한다. 본 실시 형태에서, 전하 적분 증폭기(9)에서의 증폭기 A의 귀환 용량 소자 Csv(Csv1, Csv2…)는 가변 용량 소자에 의해 구현된다.

이에 의해 상기 수학식 1 중 Ccp/Cs의 항이 가변으로 되고, 따라서 가변 게인 증폭기가 구현된다.

가변 용량 Cvs는, 스위치에 의해 복수의 용량 소자로부터 선택되도록 함으로 구현될 수 있다는 것은 용이하게 상정할 수 있다. 그 경우, 증폭기 구동 회로(4)로부터 용량 선택을 위한 펄스가 출력된다.

제3 실시 형태에 따르면, 카메라 시스템에서 필요한 PGA(Programmable Gain Amp)의 기능이 전하 적분 증폭기(9)에서 구현될 수 있다. 따라서, 후단의 시스템이 단순화될 수 있고, 이른(early) 단계에서 게인이 증가된다. 따라서, 화소 신호 레벨이 작은 경우에도 충분한 신호 진폭을 확보할 수 있어, 노이즈에 대한 무감각성이 향상된다.

<제4 실시 형태>

도 12에 본 발명의 제4 실시 형태를 도시한다.

제4 실시 형태에서, 전하 적분 증폭기(9)에서의 귀환 용량 소자 Cs에 대한 프리차지 전압으로서 고정 전압 VrefPC가 사용된다.

흑 레벨 제어 회로(6) 및 클램프 전압 출력 증폭기(7)가 클램프 전압을 생성하고, 그 클램프 전압은 멀티플렉서(8)의 기준 전압 Vref2(도 6 참조)로 피드백된다.

그 후, 상기 수학식 3의 기준 전압 Vref2, 즉 멀티플렉서(8)에서의 출력 증폭기(50)의 기준이 흑 레벨에 따른 클램프 전압으로서 기능하여, 흑 레벨이 적정하게 제어되게 된다.

제1 실시 형태의 경우, 판독되는 화소 신호의 기준이 흑 레벨에 기초하여 제어되기 때문에, 흑 레벨은 수평 블랭킹 기간에만, 즉 수평 기간에 1회만 제어될 수 있다. 반대로, 도 12와 같이 멀티플렉서(8)에 의해 클램핑이 수행되면, 클램프 동작에 시간적 제한이 없어져, 항상 흑 레벨을 제어할 수 있다.
따라서, 흑 레벨의 제어에 시간의 길이 및 시간의 횟수에 제한이 없어져, 클램프 회로는 안정성 및 높은 추종성을 달성하는 역할을 한다.

<제5 실시 형태>

도 13에 본 발명의 제5 실시 형태를 도시한다. 제5 실시 형태에서는, 상기 도 12에 도시된 제4 실시 형태와 마찬가지로, 흑 레벨 제어 회로(6) 및 클램프 전압 출력 회로(7)가 클램프 전압을 생성하고, 클램프 전압은 멀티플렉서(8)의 기준 전압 Vref2로 피드백된다. 이 경우, 귀환 용량 소자 Cs에 대한 프리차지에 의한 흑 레벨 제어는 불필요해지기 때문에 도 12의 구성로부터 스위치 Spc, Spx, 및 기준 전위 VrefPC를 생략하는 것이다. 경우에 따라서는, 이러한 회로 구성도 생각된다.

이와 같이 구성된 회로의 동작은, 신호 φPC, φXPC를 삭제한 것을 제외하고는 도 2의 타이밍차트와 동일하다.

이 실시 형태에 따르면, 회로 구성이 간단해진다. 그러나, 상기 수학식 1에서 나타낸 출력 Vout은,

으로 표현되어, 증폭기의 임계 전압 Vat를 기준으로 하여 출력 Vout이 동작한다. 이 임계 전압은 각각의 열에 대한 증폭기 A마다 변동되는 것이 예상되기 때문에, 설계 상 주의가 필요하다.

<제6 실시 형태>

삭제

상술된 실시 형태에서, 복수의 수평 신호선 HL이 제공되어, 수평 신호선 HL 사이의 커플링이 레이아웃에 따른 문제를 일으킨다. 또한, 긴 수평 신호선 HL은 각각의 열에 제공된, 높은 구동 능력을 갖지 않는 증폭기 A에 의해 구동되어야 하기 때문에, 임피던스가 높아, 기생 용량 등을 통하여 노이즈가 혼입하기 쉽다.

그래서 이 제6 실시 형태에서는, 상술된 문제를 극복하기 위해, 복수의 수평 신호선 HL1∼HLn 사이에, 실드선 SiL을 제공하고, 또한 실드선 SiL을 멀티플렉서(8)의 기준 전압 Vref1과 결합시킨다.

즉, 수평 신호선 HL의 각각의 쌍 사이에 실드선 SiL이 제공된다. 또한, 수평 신호선 HL은 실드선 SiL을 기생 용량 Cx에 의해 결합되고, 실드선은 기준 전압 Vref1과 접속됨으로써, 수평 신호선 HL의 전위는 도 6에 도시된 수평 신호선 HL을 샘플링하기 위한 용량 소자 Cm과 동일하게 된다. 따라서, 노이즈가 이 기생 용량 Cx를 통해 혼입되는 것이 방지된다.

<변형예>

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명할 수 있었지만, 본 발명의 범위 내에 있는 다양한 변형예가 가능하다.

특히 본 발명은 다음의 주요 특징을 갖는다.

(1) 각각의 열에 제공된 전하 적분 증폭기는 수평 블랭킹 기간에 판독한 화소 신호를 유지한채, 스탠바이 상태가 됨.

(2) 각각의 열에 제공된 전하 적분 증폭기에서, 판독 동작 시에 증폭기의 귀환 용량 소자를 프리차지하는 기준 전위를 흑 레벨에 기초하여 자동 제어함.

(3) 화소 신호가 복수의 수평 신호선 HL을 이용하여 각각의 전하 적분 증폭기로부터 수평 방향으로 병렬로 전송됨.

본 발명은 이들 3개의 특징들 중 임의의 하나 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 임의의 구성을 커버한다.

예를 들면 도 1의 구성에서 수평 신호선 HL을 1개로 하고, 멀티플렉서(8)를 제공하지 않는 구성으로 하면, 상기 (1) 및 (2) 특징을 갖는 구성으로 된다.

또한 도 12 혹은 도 13의 구성에서 수평 신호선 HL을 1개로 하고, 멀티플렉서(8)를 제공하지 않는 구성으로 하면, 상기 (1) 특징을 갖는 구성으로 된다.

또한 도 1의 구성에서, 흑 레벨 제어 회로(6) 및 클램프 전압 출력 증폭기(7)를 제공하지 않고, 고정 전위로 프리차지 전압을 공급하도록 하면, 상기 (1) 및 (3) 특징을 갖는 구성으로 된다.

이와 같이 다양한 변형예로서, 본 발명은 실현할 수 있다.

또한 수직 신호선 VL의 열들로부터 신호를 판독하는데 전하 적분 증폭기를 이용하였지만, 본 발명은 전하 적분 증폭기를 포함하는 구성에 한정되지는 않는다.

복수의 수평 신호선이 1클럭씩 타이밍 시프트하여 서로 오버랩되도록 한 아날로그 신호의 전송 방법은, 상기 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 한정된 것은 아니고, 다른 분야에도 응용 가능하다.

예를 들면, 본 발명에 따른 병렬 전송이 아날로그 메모리와 같은, 복수의 아날로그 데이터가 행의 어레이 또는 행 및 열의 어레이로부터 아날로그 데이터를 정밀하고 빠르게 판독하는데 사용되는 경우, 저소비 전력에서 정밀 및 고속 판독이 가능해진다.

즉, 아날로그 메모리 장치 등에서, 1행 혹은 복수행을 따라 행 방향으로 아날로그 신호를 유지하는 아날로그 신호 유지부가 제공되어 있는 경우, 아날로그 신호는 아날로그 신호 유지부로부터 각각의 열의 수직 신호선에 출력되고, 아날로그 신호 유지부의 신호 값은 각각의 열에 대해 제공된 증폭기에 의해 판독된다.

그 후, 각각의 증폭기에 유지된 아날로그 신호는 복수의 수평 신호선으로 할당되어 전송된다.

본 발명에 따른 고체 촬상 장치는, 단일 칩에 의해 구현된 고체 촬상 장치 또는 칩들의 셋트에 의해 구현된 모듈형 고체 촬상 장치일 수 있다. 본 발명에 따른 고체 촬상 장치가 칩의 셋트에 의해 구현되는 경우, 촬상을 위한 센서 칩, 디지털 신호 처리를 위한 신호 처리 칩 등이 별도로 제공되며, 광학계가 선택적으로 포함된다. 도 15에 그 구성예가 도시된다.

본 발명의 실시 형태의 설명에서, 화소의 구성 또는 선의 방향을 표시하는 "행" 및 "열"은 행렬의 수평 방향 및 수직 방향을 각각 말한다. 그러나, 본 발명은 전술한 구성 요소의 배치에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 신호는 수평 방향으로 연장되는 신호선을 통해 화소로부터 촬상 영역의 외부까지 판독될 수 있다. 또한, "행" 및 "열"의 방향은 "행" 및 "열"이 어떻게 정의되는지에 달려 있다. 예를 들면, "행"이 수직 방향을 표시하는 경우, 본 발명은 서로 교환된 "행" 및 "열"로 구성된다.

또한, 화소가 매트릭스 형태로 엄격하게 구성되어 있지 않다고 해도, 예컨대 화소가 하프 피치의 시프트로 구성되어 있다고 해도, 당업자는 "행" 및 "열"을 적당하게 설정하여 본 발명에 적용시킬 수 있다.

Claims

복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역과,

상기 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열들의 촬상 화소로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 수직 선택 회로와,

상기 각각의 열들의 상기 촬상 화소들로부터의 화소 신호들의 입력들을 수신하도록 상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 전하 적분 증폭기와,

상기 전하 적분 증폭기들이 스탠바이 상태에 있는 기간에서도, 상기 입력된 화소 신호들이 상기 전하 적분 증폭기들 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자들과,

상기 각각의 전하 적분 증폭기들로부터 출력되는 화소 신호들을 수평 신호선에 의해 전송시키는 수평 선택 회로

를 포함하는, 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 홀딩 소자들은, 상기 전하 적분 증폭기들의 출력들을, 사전결정된 홀딩 전압으로 고정하는 회로들에 의해 구현되는, 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 전하 적분 증폭기들에 각각 공급되는 증폭기 제어 신호들에 따라, 상기 전하 적분 증폭기들이 온 상태와 스탠바이 상태 사이에서 개별적으로 전환되도록 하고, 또한 각각의 상기 전하 적분 증폭기들을 상기 수평 신호선에 접속시키기 위해 증폭기 선택 신호에 따라, 상기 전하 적분 증폭기들이 상기 수평 신호선들에 개별적으로 접속되도록 하며,

각각의 열들에 제공되는 상기 전하 적분 증폭기들은 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온되어 상기 수평 신호선에 접속됨으로써, 상기 각각의 전하 적분 증폭기들로부터 출력되는 화소 신호들이 상기 수평 신호선에 순차적으로 출력되는, 고체 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 증폭기 제어 신호들 및 상기 증폭기 선택 신호들을 공통의 신호로서 출력하는, 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 전하 적분 증폭기들은 가변 용량 소자에 의해 구현되는 귀환(feedback) 용량 소자를 갖는, 고체 촬상 장치.
복수의 촬상 화소들이 배치되어 있는 촬상 화소 영역과,

상기 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열의 촬상 화소들로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 수직 선택 회로와,

상기 각각의 열들의 상기 촬상 화소들로부터의 화소 신호들의 입력을 수신하도록 상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 전하 적분 증폭기와,

상기 각각의 전하 적분 증폭기들로부터 출력되는 화소 신호들을 하나 이상의 수평 신호선들에 의해 전송시키는 수평 선택 회로와,

상기 수평 신호선들을 통해 출력되는 화소 신호들의 흑(black) 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부와,

상기 화소 신호들이 상기 수직 선택 회로에 의해 판독되기 전에, 상기 전하 적분 증폭기들의 귀환 용량 소자들을, 상기 기준 전위 생성부에 의해 생성된 상기 기준 전위로 충전(charging)하는 충전 소자들

을 포함하는, 고체 촬상 장치.
제6항에 있어서,

상기 전하 적분 증폭기들이 스탠바이 상태에 있는 기간에서도, 상기 입력된 화소 신호들이 상기 전하 적분 증폭기들 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자들을 더 포함하는, 고체 촬상 장치.
제6항에 있어서,

상기 전하 적분 증폭기들의 귀환 용량 소자들은 가변 용량 소자들에 의해 구현되는, 고체 촬상 장치.
복수의 촬상 화소가 배치되어 있는 촬상 화소 영역과,

상기 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열들의 촬상 화소들로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 수직 선택 회로와,

상기 각각의 열들의 상기 촬상 화소들로부터의 화소 신호들의 입력을 수신하도록 상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 증폭기들과,

복수의 수평 신호선들과,

상기 각각의 열들의 상기 증폭기들에 의해 유지되는 화소 신호들을 상기 복수의 수평 신호선들에 할당하여, 상기 화소 신호들이 상기 복수의 수평 신호선들에 의해 전송되는 수평 선택 회로

를 포함하는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 복수의 수평 신호선들을 순차적으로 선택함으로써, 상기 복수의 수평 신호선들에 의해 전송되는 화소 신호들에 기초하여 출력 화소 신호들을 포함하는 직렬 데이터를 생성하는 멀티플렉서를 더 포함하는, 고체 촬상 장치.
제10항에 있어서,

상기 멀티플렉서의 기준 전위에 기초하는 실드용 배선들(shielding lines) 이 상기 복수의 수평 신호선들 사이에 제공되는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 복수의 수평 신호선들을 통과하는 출력들이 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩되는 방식으로 상기 각각의 증폭기들의 출력들을 전송하는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 증폭기들에 각각 공급되는 증폭기 제어 신호들에 따라, 상기 증폭기들이 온 상태와 스탠바이 상태 사이에서 개별적으로 전환되도록 하고, 또한 상기 각각의 증폭기를 상기 복수의 수평 신호선들 중의 특정한 수평 신호선에 개별적으로 접속시키는 증폭기 선택 신호들에 따라, 상기 증폭기들이 상기 복수의 수평 신호선들 중 하나에 개별적으로 접속되도록 하며,

상기 각각의 열들에 제공되는 상기 증폭기들은 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온되어 상기 수평 신호선들에 접속됨으로써, 상기 각각의 증폭기들로부터 출력되는 화소 신호들이 상기 복수의 수평 신호선들에 의해 순차적으로 전송되는, 고체 촬상 장치.
제13항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 증폭기 제어 신호들 및 상기 증폭기 선택 신호들을 공통의 신호로서 출력하는, 고체 촬상 장치.
제13항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는 시프트 레지스터를 포함하고,

상기 수평 신호선들의 개수와, 상기 증폭기들로부터 출력되는 상기 화소 신호들의 데이터 레이트에 따라서 결정된 펄스폭을 갖는 펄스 신호는 상기 시프트 레지스터에 입력되어 상기 증폭기 선택 신호들을 발생시키는, 고체 촬상 장치.
제13항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 증폭기들을 상기 증폭기 선택 신호들에 의해 상기 수평 신호선들에 접속시키기 전에, 상기 각각의 증폭기들을 상기 증폭기 제어 신호들에 의해 턴온시키는, 고체 촬상 장치.
제16항에 있어서,

상기 수평 선택 회로는, 상기 각각의 증폭기들에 대한 상기 증폭기 제어 신호들 각각을, 관련 증폭기에 대한 증폭기 선택 신호로서 기능하는 펄스와, 엣지 타이밍이 상기 펄스의 엣지 타이밍보다 앞선 펄스의 논리 OR을 취함으로써 발생시키는, 고체 촬상 장치.
제10항에 있어서,

상기 수평 신호선들을 통해 출력되는 상기 화소 신호들의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부를 더 포함하고,

상기 기준 전위가 상기 멀티플렉서의 출력 증폭기의 기준 전위로서 사용되는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 증폭기들은 전하 적분 증폭기들이고,

상기 수평 신호선들을 통해 출력되는 상기 화소 신호들의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성부와,

상기 화소 신호들이 상기 수직 선택 회로에 의해 판독되기 전에, 상기 전하 적분 증폭기들의 귀환 용량 소자들을, 상기 기준 전위 생성부에 의해 생성된 상기 기준 전위로 충전하는 충전 소자들

를 더 포함하는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 증폭기들이 스탠바이 상태에 있는 기간에서도, 상기 입력된 화소 신호들이 상기 증폭기들 내에서 유지되도록 하는 홀딩 소자들을 더 포함하는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 증폭기들은 전하 적분 증폭기들이고,

상기 전하 적분 증폭기들은 가변 용량 소자들에 의해 구현되는 귀환 용량 소자들을 갖는, 고체 촬상 장치.
복수의 촬상 화소들이 배치되어 있는 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열들의 촬상 화소들로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와,

상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 전하 적분 증폭기들에 의해 화소 신호들을 유지하는 신호 유지 단계와,

상기 전하 적분 증폭기들을, 화소 신호들을 유지하면서 스탠바이 상태가 되도록 하는 스탠바이 단계와,

상기 전하 적분 증폭기들을 사전결정된 기간 동안 순차적으로 턴온시켜, 상기 전하 적분 증폭기들에 의해 유지되는 화소 신호들이 수평 신호선에 의해 전송되는 수평 전송 단계

를 포함하는, 화소 신호 처리 방법.
복수의 촬상 화소들이 배치되어 있는 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열들의 촬상 화소들로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와,

상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 전하 적분 증폭기들에 의해 화소 신호들을 유지하는 신호 유지 단계와,

상기 전하 적분 증폭기들에 의해 유지되는 화소 신호들을 수평 신호선에 의해 순차적으로 전송하는 수평 전송 단계와,

상기 수평 신호선을 통해 출력되는 화소 신호들의 흑 레벨에 기초하여 기준 전위를 생성하는 기준 전위 생성 단계와,

상기 화소 신호들이 상기 수직 전송 단계에서 판독되기 전에, 상기 전하 적분 증폭기들의 귀환 용량 소자들을, 상기 기준 전위 생성 단계에서 생성된 상기 기준 전위로 충전하는 충전 단계

를 포함하는, 화소 신호 처리 방법.
복수의 촬상 화소들이 배치되어 있는 촬상 화소 영역의 선택된 행에서의 각각의 열들의 촬상 화소들로부터의 화소 신호들을, 상기 열들에 각각 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 화소 신호 수직 전송 단계와,

상기 열들의 상기 수직 신호선들에 각각 제공되는 증폭기들에 의해 화소 신호들을 유지하는 신호 유지 단계와,

상기 각각의 열들의 상기 증폭기들에 의해 유지되는 화소 신호들을 복수의 수평 신호선들에 할당하여, 상기 화소 신호들이 상기 복수의 수평 신호선들에 의해 전송되는 수평 전송 단계

를 포함하는, 화소 신호 처리 방법.
아날로그 신호들을 유지하며 하나 이상의 행을 따라 배열되어 있는 신호 유지 소자들을 포함하는 아날로그 신호 유지부와,

상기 아날로그 신호 유지부의 각각의 열들에 제공되고, 상기 신호 유지 소자들의 신호값들을 판독하는 증폭기들과,

복수의 수평 신호선들과,

상기 증폭기들의 출력들을 상기 복수의 수평 신호선들에 할당하여, 상기 출력들이 복수의 수평 신호선들에 의해 전송되는 수평 선택 회로

를 포함하고,

상기 수평 선택 회로는, 상기 복수의 수평 신호선들을 통과하는 출력들이 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩되는 방식으로 상기 증폭기들의 상기 출력들을 전송하는, 아날로그 신호 전송 장치.
아날로그 신호들을 유지하며 하나 이상의 행을 따라 배열되어 있는 신호 유지 소자들을 포함하는 아날로그 신호 유지부로부터의 아날로그 신호들을, 각각의 열들에 제공되는 수직 신호선들에 출력시키는 수직 전송 단계와,

상기 각각의 열들의 상기 수직 신호선들에 제공되는 증폭기들에 의해 아날로그 신호들을 유지하는 신호 유지 단계와,

상기 각각의 증폭기들에 의해 유지되는 아날로그 신호들을 복수의 수평 신호선들에 할당하여, 상기 아날로그 신호들이 1클럭 주기씩 시프트하면서 서로 오버랩하는 타이밍에서 상기 복수의 수평 신호선들에 의해 아날로그 신호들이 전송되는 수평 전송 단계

를 포함하는, 아날로그 신호 전송 방법.
제1항, 제6항 또는 제9항에 있어서, 상기 수평 신호선 또는 수평 신호선들을통해 출력되는 신호들을 처리하기 위한 칩을 더 포함하는, 고체 촬상 장치.