JP2007202035A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】列方向に配置された複数の画素に対しても、読み出された画素信号が出力信号線上で衝突することなく、高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】画素部１０の構成に、各列（第１列〜第ｍ列）において、列方向（垂直方向）に配置された複数の画素（ｎ個の画素）から出力される複数の画素信号が、異なる複数の出力信号線１５１〜１５ｎにそれぞれ送出される構成を用いる。そして、この複数の画素の読み出し制御及びリセット制御を同時に行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素からの電荷読み出しを高速化させた固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置に用いられるＭＯＳ型イメージセンサの画素構成及び動作については、画素のリセットトランジスタのドレインと増幅トランジスタのドレインとを共通にして、行単位での画素制御を行う方法が提案されている（特許文献１を参照）。以下、図６及び図７を参照して、特許文献１に記載されている従来の固体撮像装置を説明する。

図６は、特許文献１に記載されている従来の固体撮像装置に用いられる画素部の詳細な回路構成を説明する図である。
画素Ａは、フォトダイオード１１１ａと、転送トランジスタ１１２ａと、リセットトランジスタ１１３ａと、増幅トランジスタ１１４ａとを備える。画素Ｂは、フォトダイオード１１１ｂと、転送トランジスタ１１２ｂと、リセットトランジスタ１１３ｂと、増幅トランジスタ１１４ｂとを備える。フォトダイオード１１１ａ及び１１１ｂは、信号電荷を生成する。転送トランジスタ１１２ａ及び１１２ｂは、各ゲートに個別の転送制御信号Ｔａ及びＴｂがそれぞれ供給されており、この各転送制御信号Ｔａ及びＴｂに従って、フォトダイオード１１１ａ及び１１１ｂで生成された信号電荷を信号蓄積部１０２ａ及び１０２ｂにそれぞれ転送する（読み出す）。リセットトランジスタ１１３ａ及び１１３ｂは、各ゲートに個別のリセット制御信号Ｒａ及びＲｂがそれぞれ供給されており、この各リセット制御信号Ｒａ及びＲｂに従って、信号蓄積部１０２ａ及び１０２ｂに蓄積された信号電荷をリセットする。増幅トランジスタ１１４ａ及び１１４ｂは、信号蓄積部１０２ａ及び１０２ｂに蓄積された信号電荷をそれぞれ増幅して、共通の出力信号線１１５に出力する。この出力信号線１１５には、定電流源１１６が接続されている。また、増幅トランジスタ１１４ａ及び１１４ｂのドレインに供給される画素選択信号ＳＥＬは、電源電圧レベル又は接地レベルを出力する。

図７は、従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。この図７に示す時刻ｔ０のタイミングでは、画素選択信号ＳＥＬ、リセット制御信号Ｒａ及びＲｂ、及び転送制御信号Ｔａ及びＴｂが、全て接地レベルとなっており、画素Ａ及びＢ共に画素が非選択の状態になっている。

まず、時刻ｔ１のタイミングで、画素選択信号ＳＥＬが電源電圧レベルとなり、出力信号線１１５は電源電圧レベルになる。次に、時刻ｔ２のタイミングで、リセット制御信号Ｒａが電源電圧レベルとなり、リセットトランジスタ１１３ａがオン状態となる。この時点で、画素Ａが選択された状態となる。次に、時刻ｔ３のタイミングで、リセット制御信号Ｒａが接地レベルとなり、リセットトランジスタ１１３ａがオフ状態となる。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は、画素Ａのリセットレベルの読み出し期間となる。

次に、時刻ｔ４のタイミングで、転送制御信号Ｔａが電源電圧レベルとなり、転送トランジスタ１１２ａがオン状態となる。次に、時刻ｔ５のタイミングで、転送制御信号Ｔａが接地レベルとなり、転送トランジスタ１１２ａがオフ状態となる。この時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間中に、フォトダイオード１１１ａから信号蓄積部１０２ａへの電荷移動が行われ、信号蓄積部１０２ａは、画素選択信号ＳＥＬの電位からフォトダイオード１１１ａの電位分だけ低いレベルとなる。この変動分は、増幅トランジスタ１１４ａを介して出力信号線１１５に現れる。この電位変動分が、画素Ａの画素信号となる。この時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間が、画素Ａの画素信号の読み出し期間となる。

次に、時刻ｔ６のタイミングでは、画素Ａ及びＢ共に一旦非選択状態となる。その後、時刻ｔ７のタイミングで、画素選択信号ＳＥＬが電源電圧レベルとなり、出力信号線１１５は電源電圧レベルになる。次に、時刻ｔ８のタイミングで、リセット制御信号Ｒｂが電源電圧レベルとなり、リセットトランジスタ１１３ｂがオン状態となる。この時点で、画素Ｂが選択された状態となる。次に、時刻ｔ９のタイミングで、リセット制御信号Ｒｂが接地レベルとなり、リセットトランジスタ１１３ｂがオフ状態となる。この時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの期間は、画素Ｂのリセットレベルの読み出し期間となる。

次に、時刻ｔ１０のタイミングで、転送制御信号Ｔｂが電源電圧レベルとなり、転送トランジスタ１１２ｂがオン状態となる。次に、時刻ｔ１１のタイミングで、転送制御信号Ｔｂが接地レベルとなり、転送トランジスタ１１２ｂがオフ状態となる。この時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間中に、フォトダイオード１１１ｂから信号蓄積部１０２ｂへの電荷移動が行われ、信号蓄積部１０２ｂは、画素選択信号ＳＥＬの電位からフォトダイオード１１１ｂの電位分だけ低いレベルとなる。この変動分は、増幅トランジスタ１１４ｂを介して出力信号線１１５に現れる。この電位変動分が、画素Ｂの画素信号となる。この時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間が、画素Ｂの画素信号の読み出し期間となる。

このように、従来の固体撮像装置では、画素の選択、画素リセット、及びフォトダイオード電荷の転送という読み出し動作を行うことができる。また、これらの読み出し動作は行単位で行うことが可能である。
特開２００５−５９１１号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像装置による構成では、行方向（水平方向）の画素については、行単位で複数の画素の一括読み出し処理が可能であるが、列方向（垂直方向）の画素については、列単位で画素の一括読み出し処理ができない。このため、列方向に配置されている複数の画素の数だけ、一連の画素読み出し動作を繰り返して行う必要がある。従って、従来の固体撮像装置では、高画素になるほど、全画素の読み出しに時間を要するという課題を有している。

それ故に、本発明の目的は、列方向（垂直歩行）に配置された複数の画素に対しても、読み出された画素信号が出力信号線上で衝突することなく、高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することである。

本発明は、行列状に配置された複数の画素で生成される信号電荷を、所定の順に読み出して出力する固体撮像装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の固体撮像装置の複数の画素は、信号電荷を生成するフォトダイオード、転送制御信号に従ってフォトダイオードで生成された信号電荷を信号蓄積部に転送する転送トランジスタ、リセット制御信号に従って信号蓄積部の電位を制御するリセットトランジスタ、及び信号蓄積部に転送された信号電荷を増幅し、画素信号として出力信号線に出力する増幅トランジスタをそれぞれ備え、各列において、列方向に配置されたｎ個の画素の出力が、異なるｎ本の出力信号線にそれぞれ接続されている。

好ましくは、複数の画素へ供給される転送制御信号及びリセット制御信号が、全て又は一部共通化されている。また、複数の画素から出力されたｎ個以上の画素信号は、ｎ本以上の異なる出力信号線を経て、同じタイミングで信号処理が行われることが望ましい。

上記のように、本発明は、各列において、列方向（垂直方向）に配置された複数の画素から出力される複数の画素信号が、異なる複数の出力信号線にそれぞれ送出される構成を用いて、この複数の画素の読み出し制御及びリセット制御を同時に行う。これにより、画素から読み出された画素信号を、出力信号線上で衝突させること無く高速で信号処理回路へ送出させることが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。図１において、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、画素部１０と、垂直走査回路２１と、水平走査回路３１と、信号処理回路４１と、出力アンプ５１とを備える。画素部１０は、ｍ行ｎ列に２次元配置された複数の画素［１／１］〜［ｎ／ｍ］で構成される。この複数の画素［１／１］〜［ｎ／ｍ］は、典型的にはＭＯＳ型イメージセンサである。垂直走査回路２１は、リセット制御信号Ｒ及び転送制御信号Ｔを用いて、複数の画素［１／１］〜［ｎ／ｍ］に対してリセット処理及び転送（読み出し）処理を実行する。水平走査回路３１は、画素部１０から読み出す画素の列を選択する。信号処理回路４１は、画素部１０から出力される列単位の画素信号に必要な処理（例えば、ノイズ除去処理等）を施して、出力アンプ５１へ順次出力する。出力アンプ５１は、信号処理回路４１から出力される各画素信号を増幅して出力する。

本発明の固体撮像装置は、各列（第１列〜第ｍ列）において、列方向（垂直方向）に配置されたｎ個の画素から出力されるｎ個の画素信号（光電変換信号）が、異なるｎ個の出力信号線１５１〜１５ｎにそれぞれ送出される構成としたことが特徴である。以下、図２及び図３をさらに参照して、この特徴を具体的に説明する。

図２は、図１に示した画素部１０の画素［１／１］及び画素［２／１］の詳細な回路構成を説明する図である。
画素［１／１］は、フォトダイオード１１ａと、転送トランジスタ１２ａと、リセットトランジスタ１３ａと、増幅トランジスタ１４ａとを備える。画素［２／１］は、フォトダイオード１１ｂと、転送トランジスタ１２ｂと、リセットトランジスタ１３ｂと、増幅トランジスタ１４ｂとを備える。フォトダイオード１１ａ及び１１ｂは、信号電荷を生成する。転送トランジスタ１２ａ及び１２ｂは、各ゲートに同一の転送制御信号Ｔが供給されており、この転送制御信号Ｔに従って、フォトダイオード１１ａ及び１１ｂで生成された信号電荷を信号蓄積部２ａ及び２ｂにそれぞれ転送する（読み出す）。リセットトランジスタ１３ａ及び１３ｂは、各ゲートに同一のリセット制御信号Ｒが供給されており、このリセット制御信号Ｒに従って、信号蓄積部２ａ及び２ｂに蓄積された信号電荷をリセットする。増幅トランジスタ１４ａ及び１４ｂは、信号蓄積部２ａ及び２ｂに蓄積された信号電荷をそれぞれ増幅して出力する。増幅トランジスタ１４ａの出力は出力信号線１５ａに、増幅トランジスタ１４ｂの出力は出力信号線１５ｂに、それぞれ接続されている。この出力信号線１５ａ及び１５ｂには、定電流源１６ａ及び１６ｂが接続されている。また、増幅トランジスタ１４ａ及び１４ｂのドレインに供給される画素選択信号ＳＥＬは、電源電圧レベル又は接地レベルを出力する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。この図３に示す時刻ｔ０のタイミングでは、画素選択信号ＳＥＬ、リセット制御信号Ｒ、及び転送制御信号Ｔが、全て接地レベルとなっており、画素部１０の全画素が非選択の状態になっている。

まず、時刻ｔ１のタイミングで、画素選択信号ＳＥＬが電源電圧レベルとなり、出力信号線１５ａ及び１５ｂも電源電圧レベルになる。次に、時刻ｔ２のタイミングで、リセット制御信号Ｒが電源電圧レベルとなり、リセットトランジスタ１３ａ及び１３ｂがオン状態となる。この時点で、画素［１／１］及び画素［２／１］が選択された状態となる。次に、時刻ｔ３のタイミングで、リセット制御信号Ｒが接地レベルとなり、リセットトランジスタ１３ａ及び１３ｂがオフ状態となる。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は、全画素のリセットレベルの読み出し期間となる。

次に、時刻ｔ４のタイミングで、転送制御信号Ｔが電源電圧レベルとなり、転送トランジスタ１２ａ及び１２ｂがオン状態となる。次に、時刻ｔ５のタイミングで、転送制御信号Ｔが接地レベルとなり、転送トランジスタ１２ａ及び１２ｂがオフ状態となる。この時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間中に、フォトダイオード１１ａから信号蓄積部２ａへの電荷移動、及びフォトダイオード１１ｂから信号蓄積部２ｂへの電荷移動が行われ、信号蓄積部２ａ及び２ｂは、画素選択信号ＳＥＬの電位からフォトダイオード１１ａ及び１１ｂの電位分だけ低いレベルとなる。この変動分は、増幅トランジスタ１４ａ及び１４ｂの出力信号線１５ａ及び１５ｂに現れる。この電位変動分が、それぞれ画素［１／１］及び画素［２／１］の画素信号となる。この時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間が、全画素の画素信号の読み出し期間となる。

このように、一度のリセット動作及び転送動作によって、画素［１／１］及び画素［２／１］のフォトダイオード１１ａ及び１１ｂで生成された信号電荷を操作することが可能となる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置によれば、各列において、列方向（垂直方向）に配置された複数の画素から出力される複数の画素信号が、異なる複数の出力信号線にそれぞれ送出される構成を用いて、この複数の画素の読み出し制御及びリセット制御を同時に行う。これにより、画素から読み出された画素信号を、出力信号線上で衝突させること無く高速で信号処理回路へ送出させることが可能となる。

なお、本第１の実施形態では、列方向（垂直方向）に配置されたｎ個の画素から出力されるｎ個の画素信号が、異なるｎ個の出力信号線１５ａ〜１５ｎにそれぞれ送出される構成を示したが、ｎ個の画素の全てを個別の出力信号線に接続しなくてもよい。例えば、図４に示すように、ｎ個の画素を対象性を持つ２個ずつのペアに区分して配線した構成にして、このペア単位で読み出し制御及びリセット制御を行ってもよい。このようにすれば、列毎に２本の出力信号線１５ａ及び１５ｂで済むため、画素部１０のサイズを縮小させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図４で示したように、ｎ個の画素を対象性を持つ２個ずつのペアに区分して配線し、列毎に２本の出力信号線１５ａ及び１５ｂを持つ場合には、固体撮像装置を以下のような構造にすることも可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。図５において、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、画素部１０と、２つの垂直走査回路２１及び２２と、２つの水平走査回路３１及び３２と、２つの信号処理回路４１及び４２と、２つの出力アンプ５１及び５２とを備える。

垂直走査回路２１、水平走査回路３１、信号処理回路４１、及び出力アンプ５１は、上記第１の実施形態で説明した通りである。垂直走査回路２２、水平走査回路３２、信号処理回路４２、及び出力アンプ５２の構成及び動作も、垂直走査回路２１、水平走査回路３１、信号処理回路４１、及び出力アンプ５１と同様であり、かつ、同じ構成についてはそれぞれ同じタイミングで動作する。

例えば、転送制御信号Ｔによって出力信号線１５ａに現れる画素［１／１］の画素信号は、水平走査回路３１の選択動作に応じて、信号処理回路４１を介して出力アンプ５１へ出力される。一方、転送制御信号Ｔによって出力信号線１５ｂに現れる画素［２／１］の画素信号は、画素［１／１］と同じタイミングで、水平走査回路３２の選択動作に応じて、信号処理回路４２を介して出力アンプ５２へ出力される。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置によれば、対称性を持つ各画素ブロックを同期駆動させる。これにより、画素信号を混色させることなく、高速に読出すことが可能となる。

本発明は、固体撮像装置等に利用可能でありは、特にフォトダイオードで生成された電荷信号を高速に読み出したい場合等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図 図１に示した画素部１０の詳細な回路構成を説明する図 第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャート 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の他の概略構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図 従来の固体撮像装置の画素部１０の詳細な回路構成を説明する図 従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャート

符号の説明

１０ 画素部
２１、２２ 垂直走査回路
３１、３２ 水平走査回路
４１、４２ 信号処理回路
５１、５２ 出力アンプ
１５１〜１５ｎ、１５ａ、１５ｂ、１１５ 出力信号線
１１ａ、１１ｂ、１１１ａ、１１１ｂ フォトダイオード
１２ａ、１２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ 転送トランジスタ
１３ａ、１３ｂ、１１３ａ、１１３ｂ リセットトランジスタ
１４ａ、１４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ 増幅トランジスタ
１６ａ、１６ｂ、１１６ 定電流源
２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ 信号蓄積部
Ｔ、Ｔａ、Ｔｂ 転送制御信号
Ｒ、Ｒａ、Ｒｂ リセット制御信号
ＳＥＬ 画素選択信号

Claims (4)

1. 行列状に配置された複数の画素で生成される信号電荷を、所定の順に読み出して出力する固体撮像装置であって、
   前記複数の画素は、それぞれ、
   前記信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   転送制御信号に従って、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を信号蓄積部に転送する転送トランジスタと、
   リセット制御信号に従って、前記信号蓄積部の電位を制御するリセットトランジスタと、
   前記信号蓄積部に転送された信号電荷を増幅し、画素信号として出力信号線に出力する増幅トランジスタとを備え、
   各列において、列方向に配置されたｎ個の画素の出力が、異なるｎ本の出力信号線にそれぞれ接続されていることを特徴とする、固体撮像装置。
2. 前記複数の画素へ供給される前記転送制御信号及び前記リセット制御信号が、全て共通化されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素へ供給される前記転送制御信号及び前記リセット制御信号が、一部共通化されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の画素から出力されたｎ個以上の画素信号は、ｎ本以上の異なる前記出力信号線を経て、同じタイミングで信号処理が行われることを特徴とする、請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
   
   

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