JP5019705B2 - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に増幅機能を持つ単位画素を備えた増幅型の固体撮像装置とその駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to an amplification type solid-state imaging device including a unit pixel having an amplification function and a driving method thereof.
近年、CMOSイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像装置の開発が活発化している。この種の固体撮像装置(例えば、特許文献1参照)では、MOSのデザインルールの縮小に伴って電源電圧の低電圧化が進み、その結果、フローティングディフュージョンの電位をリセットする際のリセット電圧が低くなってきている。本来、固体撮像装置においては、SN比の向上を図るうえで、信号の増幅を信号処理の前段で行うことが有利とされている。そのため、SN比を良好なものとするには、フローティングディフュージョンの容量を小さく抑えて、信号電荷を信号電圧に変換する際の変換効率を高くすることが望まれる。 In recent years, amplification-type solid-state imaging devices represented by CMOS image sensors have been actively developed. In this type of solid-state imaging device (see, for example, Patent Document 1), the power supply voltage is lowered as the MOS design rule is reduced. As a result, the reset voltage when resetting the potential of the floating diffusion is lowered. It has become to. Originally, in a solid-state imaging device, it is advantageous to perform signal amplification before signal processing in order to improve the SN ratio. Therefore, in order to improve the S / N ratio, it is desired to increase the conversion efficiency when converting the signal charge into the signal voltage by reducing the capacity of the floating diffusion.
しかしながら、フローティングディフュージョンの変換効率が高くなると(フローティングディフュージョンの容量が小さくなると)、それに応じて撮像の感度(センサ感度)が高くなるため、例えば強い光が固体撮像装置の撮像面に入射したときに、光電変換部に蓄積される信号電荷をフローティングディフュージョンに転送しきれなくなるという問題が生じる。また、仮に光電変換部からフローティングディフュージョンへの信号電荷の転送に成功したとしても、増幅トランジスタをソースフォロアとして動作させる場合には、増幅トランジスタのゲートに印加される電圧が過度に低くなってしまう。そのため、増幅トランジスタのソース側に設置される定電流源のドレインに十分な電圧が印加されず、定電流源は良好な動作をすることができず、ソースフォロアのリニアリティーが悪化するなどの影響が現れる。また、この対策として、光電変換部での飽和信号量を減少させると、輝度の高い部分のコントラストを確保できなくなる。そのため、従来においては、SN比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することが困難であった。 However, when the conversion efficiency of the floating diffusion increases (when the capacity of the floating diffusion decreases), the imaging sensitivity (sensor sensitivity) increases accordingly. For example, when strong light enters the imaging surface of the solid-state imaging device As a result, there arises a problem that the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit cannot be transferred to the floating diffusion. Even if the signal charge is successfully transferred from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion, if the amplification transistor is operated as a source follower, the voltage applied to the gate of the amplification transistor becomes excessively low. Therefore, a sufficient voltage is not applied to the drain of the constant current source installed on the source side of the amplification transistor, the constant current source cannot operate well, and the linearity of the source follower is deteriorated. appear. Further, as a countermeasure against this, if the saturation signal amount in the photoelectric conversion unit is reduced, it becomes impossible to ensure the contrast of the portion with high luminance. Therefore, conventionally, it has been difficult to simultaneously improve the SN ratio and expand the dynamic range.
本発明に係る固体撮像装置は、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を転送する転送部と、この転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部と、電荷電圧変換部で変換された信号電圧を読み出す際に、電荷電圧変換部の変換効率を第1の変換効率又は第1の変換効率より高い第2の変換効率に可変制御する制御部と、電荷電圧変換部で変換された信号電圧を読み出す際に、電荷電圧変換部の変換効率が第1の変換効率及び第2の変換効率の値に設定された状態でそれぞれ得られる第1の信号電圧及び第2の信号電圧を読み出す読み出し制御部と、第2の信号電圧と予め設定された所定の閾値レベルとを比較し、比較結果に基づいて、読み出し制御部から読み出された第1の信号電圧及び第2の信号電圧から最終的に出力する信号電圧を選択する出力処理部とを備え、制御部は、電荷電圧変換部に接続されたキャパシタと、キャパシタに電圧を印加し且つ当該印加電圧を制御する電圧印加制御部とを有し、電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット素子を有し、リセット素子に印加する電源電圧をオン状態に維持しつつ、電圧印加制御部によりキャパシタへの印加電圧を相対的に低い電圧に設定した状態で、リセット素子により電荷電圧変換部の電位をリセットし、リセット素子によるリセット後に、リセット素子に印加する電源電圧をオン状態に維持しつつ、電圧印加制御部によりキャパシタへの印加電圧を相対的に高い電圧に設定した状態で、転送部により信号電荷を電荷電圧変換部に転送するものである。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to accumulate signal charges, a transfer unit that transfers signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit, and a transfer unit that transfers the signal charges. When the signal voltage converted from the signal charge to the signal voltage and the signal voltage converted by the charge voltage converter are read, the conversion efficiency of the charge voltage converter is higher than the first conversion efficiency or the first conversion efficiency. When reading the signal voltage converted by the control unit variably controlled to the second conversion efficiency and the charge-voltage conversion unit, the conversion efficiency of the charge-voltage conversion unit becomes the value of the first conversion efficiency and the second conversion efficiency. The read control unit that reads out the first signal voltage and the second signal voltage obtained in the set state is compared with the second signal voltage and a predetermined threshold level that is set in advance, and based on the comparison result , reading from the read control unit Is provided with a first signal voltage and an output processing unit that selects a signal voltage finally output from the second signal voltage, the control unit includes a capacitor connected to the charge-voltage converter, the voltage on capacitor A voltage application control unit that applies and controls the applied voltage, and has a reset element that resets the electric potential of the charge voltage conversion unit, and voltage application while maintaining the power supply voltage applied to the reset element in an on state. In a state where the voltage applied to the capacitor is set to a relatively low voltage by the control unit, the potential of the charge voltage conversion unit is reset by the reset element, and after the reset by the reset element, the power supply voltage applied to the reset element is turned on. While maintaining the voltage applied to the capacitor by the voltage application controller, the signal charge is transferred to the charge voltage converter by the transfer unit. Is shall.
本発明に係る固体撮像装置においては、光電変換部に蓄積された信号電荷を転送部によって電荷電圧変換部に転送した際に、電荷電圧変換部の変換効率を制御部で可変制御することにより、光電変換部から電荷電圧変換部に転送された信号電荷に対応する信号電圧を、電荷電圧変換部の変換効率を変えて読み出すことが可能となる。 In the solid-state imaging device according to the present invention, when the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit is transferred to the charge voltage conversion unit by the transfer unit, the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit is variably controlled by the control unit, It becomes possible to read out the signal voltage corresponding to the signal charge transferred from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit while changing the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit.
本発明によれば、光電変換部から電荷電圧変換部に転送された信号電荷に対応する信号電圧を、電荷電圧変換部の変換効率を変えて読み出すことができる。これにより、入射光量が少ない場合は、電荷電圧変換部の変換効率を相対的に高い状態にして信号電圧の読み出しを行い、入射光量が多い場合は、電荷電圧変換部の変換効率を相対的に低い状態にして信号電圧の読み出しを行うことにより、いずれの場合も適切な感度をもって撮像することができるとともに、同じ出力電圧の範囲内で、より広範囲の光量を表現することができる。よって、SN比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することができる。 According to the present invention, the signal voltage corresponding to the signal charge transferred from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit can be read by changing the conversion efficiency of the charge-voltage conversion unit. As a result, when the amount of incident light is small, the signal voltage is read with the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit relatively high, and when the amount of incident light is large, the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit is relatively By reading the signal voltage in a low state, imaging can be performed with appropriate sensitivity in any case, and a wider range of light intensity can be expressed within the same output voltage range. Therefore, the improvement of the SN ratio and the expansion of the dynamic range can be realized at the same time.
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。図示した固体撮像装置は、例えばCMOSイメージセンサを構成するものであって、複数の画素1を二次元マトリクス状に配置した撮像領域2と、垂直選択駆動回路3と、列信号処理部4と、水平走査回路5と、タイミングジェネレータ6と、水平信号線7に出力された信号を処理する出力処理部8とを備えた構成となっている。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The illustrated solid-state imaging device constitutes, for example, a CMOS image sensor, and includes an imaging region 2 in which a plurality of pixels 1 are arranged in a two-dimensional matrix, a vertical selection drive circuit 3, a column
画素1の構成については後段で詳しく説明する。撮像領域2には複数の画素1とともに、各画素1の信号を垂直方向に読み出すための複数の垂直信号線(不図示)が形成されている。垂直選択駆動回路3は、撮像領域2の各画素1を一行ずつ選択して駆動するものである。撮像領域2の各画素1の信号は、一列毎に形成された垂直信号線(不図示)を通して列信号処理部4に取り込まれる。列信号処理部4は、垂直信号線を通して取り込まれた各画素1の信号を処理するもので、例えば負荷MOSトランジスタとサンプルホールド・CDS(Correlated Double Sampling)回路を用いて構成される。サンプルホールド・CDS回路は、垂直信号線18に対して並列に並んで設けられるもので、1行分の信号をサンプルホールドし、CDS処理を行い、電荷のかたちで保持する。
The configuration of the pixel 1 will be described in detail later. In the imaging region 2, a plurality of vertical signal lines (not shown) for reading out the signal of each pixel 1 in the vertical direction are formed together with the plurality of pixels 1. The vertical selection drive circuit 3 selects and drives each pixel 1 in the imaging region 2 row by row. A signal of each pixel 1 in the imaging region 2 is taken into the column
水平走査回路5は、各列の垂直信号線を通して読み出され且つ列信号処理部4で処理された各画素1の信号を、水平方向に順に選択走査して水平信号線7に導くものである。この水平走査回路5は、例えば、各列の垂直信号線に接続される複数の選択トランジスタと、当該複数の選択トランジスタを水平方向に順にオンするシフト回路とを用いて構成される。タイミングジェネレータ6は、垂直選択駆動回路3、列信号処理部4及び水平走査回路5に対して、所定周期の基準クロックに基づいて各部の動作に必要な各種のパルス信号を供給するものである。出力処理部8は、水平走査回路5によって水平信号線7に読み出された画素信号の出力処理を行うものである。この出力処理には、画素信号の増幅処理、選択処理、AGC(Auto Gain Control)処理、A/D(アナログ/デジタル)変換処理などが含まれる。このうち、画素信号の選択処理については、後段で詳しく説明する。
The horizontal scanning circuit 5 selectively scans the signal of each pixel 1 read through the vertical signal line of each column and processed by the column
図2は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。図示した画素(単位画素)1は、大きくは、光電変換部となるフォトダイオードPDと、転送部となる転送トランジスタ11と、電荷電圧変換部となるフローティングディフュージョンFDと、リセットトランジスタ12と、増幅トランジスタ13と、MOSキャパシタ14とを備えた構成となっている。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. The illustrated pixel (unit pixel) 1 generally includes a photodiode PD serving as a photoelectric conversion unit, a transfer transistor 11 serving as a transfer unit, a floating diffusion FD serving as a charge-voltage conversion unit, a
フォトダイオードPDは、当該フォトダイオードPDに入射した入射光を光電変換によって信号電荷に変換し、この信号電荷を蓄積するものである。転送トランジスタ11は、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送するものである。フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタ11によってフォトダイオードPDから転送された信号電荷を信号電圧に変換するものである。リセットトランジスタ12は、フローティングディフュージョンFDの電位を一定のレベルにリセットするものである。増幅トランジスタ13は、フローティングディフュージョンFDの信号電圧を増幅して出力するものである。
The photodiode PD converts incident light incident on the photodiode PD into a signal charge by photoelectric conversion, and accumulates the signal charge. The transfer transistor 11 transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD. The floating diffusion FD converts the signal charge transferred from the photodiode PD by the transfer transistor 11 into a signal voltage. The
MOSキャパシタ14は、フローティングディフュージョンFDの容量(接合容量)を可変するために、当該フローティングディフュージョンFDに接続されたものである。電圧制御部15は、MOSキャパシタ5に電圧を印加するとともに、当該印加電圧を可変制御するものである。この電圧制御部15は、垂直選択駆動回路3内に設けるようにしてもよいし、垂直選択駆動回路4とは別に設けるようにしてもよい。本実施形態においては、垂直選択駆動回路3内に電圧制御部15が設けられているものとする。電圧制御部15は、例えば、一定の電圧を生成する電圧生成部と、この電圧生成部で生成された電圧をMOSキャパシタ14に印加する電圧印加部とを用いて構成されるものである。また、電圧制御部15は、必要に応じて電圧調整部を備えるものである。電圧調整部は、電圧生成部で生成された電圧を電圧印加部でMOSキャパシタ5に印加する際の電圧レベルを調整するものである。
The
転送トランジスタ11のゲート電極は転送信号線16に、リセットトランジスタ12のゲート電極はリセット線17に、増幅トランジスタ13のゲート電極はフローティングディフュージョンFDにそれぞれ接続されている。また、リセットトランジスタ12と増幅トランジスタ13には、それぞれ共通の電源電圧VDDが印加される構成となっている。増幅トランジスタ13は、垂直信号線18につながる負荷MOSトランジスタ19とソースフォロア回路の動作を行うものとなる。また、増幅トランジスタ13の出力電圧は垂直信号線18を通してCDS回路20に取り込まれた後、信号量判定回路21に入力される構成となっている。負荷MOSトランジスタ19及びCDS回路20は、上述した列信号処理部4に含まれるものである。まあ、信号量判定回路21は、上述した出力処理部8に含まれるものである。
The gate electrode of the transfer transistor 11 is connected to the transfer signal line 16, the gate electrode of the
上記構成の画素1においては、所定の蓄積(露光)期間でフォトダイオードPDに信号電荷を蓄積し、この蓄積期間が終了した時点でリセットトランジスタ12のゲート電極にリセット線17を通してリセットパルスφRSTを印加する。これにより、フローティングディフュージョンFDの電位が電源電圧VDDに応じた一定のレベル(リセット信号レベル)にリセットされる。その後、転送トランジスタ11のゲート電極に転送信号線16を通して転送パルスφTRFを印加する。これにより、上記蓄積期間内にフォトダイオードPDに蓄積された信号電荷が、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに転送される。このとき、フローティングディフュージョンFDでは、フォトダイオードPDから転送された信号電荷を、そのときの電荷量(電位変化)に応じた信号電圧に変換する。こうしてフローティングディフュージョンFDで変換された信号電圧は、増幅トランジスタ4で増幅されて垂直信号線18に出力される。
In the pixel 1 having the above configuration, signal charges are accumulated in the photodiode PD during a predetermined accumulation (exposure) period, and a reset pulse φRST is applied to the gate electrode of the
一般に、フローティングディフュージョンFDで信号電荷を信号電圧に変換する際の変換効率ηは、おおよそ“η=q/CFD[μV/e]”の式で表される。qは電子1個の電荷量、CFDはフローティングディフュージョンの容量である。この式から分かるように、画素1におけるフローティングディフュージョンFDの変換効率ηは、フローティングディフュージョンの容量CFDによって決まる。また、フローティングディフュージョンの容量CFDは、MOSキャパシタ14に印加される電圧(以下、「キャパシタ電圧」とも記す)Vcapに応じて変化する。すなわち、キャパシタ電圧Vcapを高くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量CFDが増加し、キャパシタ電圧Vcapを低くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量CFDが減少する。
In general, the conversion efficiency η when converting a signal charge into a signal voltage by the floating diffusion FD is approximately expressed by the equation “η = q / CFD [μV / e]”. q is the charge amount of one electron, and CFD is the capacity of the floating diffusion. As can be seen from this equation, the conversion efficiency η of the floating diffusion FD in the pixel 1 is determined by the capacitance CFD of the floating diffusion. Further, the capacitance CFD of the floating diffusion changes according to a voltage (hereinafter also referred to as “capacitor voltage”) Vcap applied to the
したがって、MOSキャパシタ5への印加電圧VcapとフローティングディフュージョンFDの変換効率ηとの間には次のような関係が成り立つ。すなわち、キャパシタ電圧Vcapを高くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量CFDが増加するため、フローティングディフュージョンFDの変換効率ηが低くなる。また逆に、キャパシタ電圧Vcapを低くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量CFDが減少するため、フローティングディフュージョンFDの変換効率ηが高くなる。このことから、画素1においては、MOSキャパシタ14への印加電圧Vcapを電圧制御部15で変化させることにより、フローティングディフュージョンFDの容量CFDとこれに依存する変換効率ηを可変制御し得る構成となっている。なお、本例では、MOSキャパシタ14への印加電圧Vcapを電圧制御部15によりオン/オフの2段階で可変制御するものとなっている。
Therefore, the following relationship is established between the voltage Vcap applied to the MOS capacitor 5 and the conversion efficiency η of the floating diffusion FD. That is, when the capacitor voltage Vcap is increased, the capacitance CFD of the floating diffusion increases accordingly, so that the conversion efficiency η of the floating diffusion FD decreases. Conversely, when the capacitor voltage Vcap is lowered, the capacitance CFD of the floating diffusion is reduced accordingly, and the conversion efficiency η of the floating diffusion FD is increased. Therefore, the pixel 1 has a configuration in which the voltage Ccap applied to the
また、垂直信号線18にはCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理を行うCDS回路20が接続されている。このCDS回路20には増幅トランジスタ13によって垂直信号線18に増幅出力された信号電圧が入力され、そこで画素の固定パターンノイズが除去される。
Further, a
図3は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図において、電源電圧VDD、リセットパルスφRST、転送パルスφTRF及びVcap印加パルスは、いずれもタイミングジェネレータ6から垂直選択駆動回路3に与えられるパルス信号に基づいて、当該垂直選択駆動回路3によりオンオフ制御されるものである。
FIG. 3 is a timing chart showing a driving method of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. In the figure, the power supply voltage VDD, the reset pulse φRST, the transfer pulse φTRF, and the Vcap application pulse are all controlled by the vertical selection drive circuit 3 based on the pulse signal supplied from the
先ず、電源電圧VDDをオン(高い)状態に保持しつつ、リセットパルスφRSTをオン状態とする。このとき、転送パルスφTRFとキャパシタ電圧Vcapは共にオフ(低い)状態に保持しておく。次に、リセットパルスφRSTをオフ状態とした後、キャパシタ電圧Vcapと転送パルスφTRFを順にオン状態とする。次いで、転送パルスφTRFとキャパシタ電圧Vcapを順にオフ状態とする。これにより、キャパシタ電圧Vcapがオン状態に保持される期間内の一部で、転送パルスφTRFがオン状態に保持される。 First, the reset pulse φRST is turned on while the power supply voltage VDD is kept on (high). At this time, both the transfer pulse φTRF and the capacitor voltage Vcap are held in an off (low) state. Next, after the reset pulse φRST is turned off, the capacitor voltage Vcap and the transfer pulse φTRF are sequentially turned on. Next, the transfer pulse φTRF and the capacitor voltage Vcap are sequentially turned off. As a result, the transfer pulse φTRF is held in the on state for a part of the period during which the capacitor voltage Vcap is held in the on state.
その後、リセットパルスφRSTをオン状態に保持し、この保持期間内で電源電圧VDDをオン状態からオフ状態に切り替える。次いで、電源電圧VDDをオフ状態に保持している期間内でリセットパルスφRSTをオン状態からオフ状態に切り替え、その後、再び電源電圧VDDをオフ状態からオン状態に切り替える。ちなみに、フローティングディフュージョンFDの変換効率は、キャパシタ電圧Vcapのオンオフ状態に応じて変換する。すなわち、キャパシタ電圧Vcapがオフ状態のときはフローティングディフュージョンFDの変換効率が相対的に高い状態となり、キャパシタ電圧Vcapがオフ状態のときはフローティングディフュージョンFDの変換効率が相対的に低い状態となる。 Thereafter, the reset pulse φRST is held in the on state, and the power supply voltage VDD is switched from the on state to the off state within this holding period. Next, the reset pulse φRST is switched from the on state to the off state within the period in which the power supply voltage VDD is held in the off state, and then the power supply voltage VDD is switched from the off state to the on state again. Incidentally, the conversion efficiency of the floating diffusion FD is converted according to the on / off state of the capacitor voltage Vcap. That is, when the capacitor voltage Vcap is off, the conversion efficiency of the floating diffusion FD is relatively high, and when the capacitor voltage Vcap is off, the conversion efficiency of the floating diffusion FD is relatively low.
以上の駆動方法において、読み出し制御部となる列信号処理部4は、画素1からのリセット信号の読み出しと画素信号の読み出しを次のような手順で行う。まず、リセット信号φRSTを最初にオンオフしてからキャパシタ電圧Vcapをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図3に示すタイミングT1で、1回目のリセット信号の読み出しを行う。次に、キャパシタ電圧Vcapをオンしてから転送パルスφTRFをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図3に示すタイミングT2で、2回目のリセット信号の読み出しを行う。
In the above driving method, the column
続いて、転送パルスφTRFをオフしてからキャパシタ電圧Vcapをオフするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図3に示すタイミングT3で、1回目の画素信号の読み出しを行う。次に、キャパシタ電圧VcapをオフしてからリセットパルスφRSTをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図3に示すタイミングT4で、2回目の画素信号の読み出しを行う。 Subsequently, the first pixel signal is read at an arbitrary timing within a period from when the transfer pulse φTRF is turned off to when the capacitor voltage Vcap is turned off, for example, timing T3 shown in FIG. Next, a second pixel signal is read at an arbitrary timing within a period from turning off the capacitor voltage Vcap to turning on the reset pulse φRST, for example, at a timing T4 shown in FIG.
ここで、1回目のリセット信号の読み出しを行うタイミングT1では、転送パルスφTRFとキャパシタ電圧Vcapが共にオフ状態になっているため、転送トランジスタ11のゲート電極11Gの端部からリセットトランジスタ12のゲート電極12Gにかけて形成されるフローティングディフュージョンFD部分のポテンシャルは、図4(A)に示すように、転送トランジスタ11のゲート電極11Gの端部とこれに対向するリセットトランジスタ12のゲート電極12Gの端部間で部分的に低い状態になるとともに、その電位レベルがリセットトランジスタ12のフィードスルーの影響で電源電圧VDDよりもVfs1だけ低いものとなる。したがって、上記タイミングT1では、1回目のリセット信号が“VDD+Vfs1”のレベルで読み出される。
Here, at the timing T1 at which the reset signal is read for the first time, both the transfer pulse φTRF and the capacitor voltage Vcap are in the off state. As shown in FIG. 4A, the potential of the floating diffusion FD portion formed over 12G is between the end portion of the
次に、2回目のリセット信号の読み出しを行うタイミングT2では、キャパシタ電圧Vcapがオン状態となっているため、フローティングディフュージョンFD部分のポテンシャルは、図4(B)に示すように、転送トランジスタ11のゲート電極11Gの端部からリセットトランジスタ12のゲート電極12Gにかけて一様に低い状態になるとともに、その電位レベルがフローティングディフュージョン制御用トランジスタのゲートとフローティングディフュージョンFDとのカップリングにより、上記1回目のリセット信号の読み出し時よりも“Vfs2”だけ低いものとなる。したがって、上記タイミングT2では、2回目のリセット信号が“VDD+Vfs1+Vfs2”のレベルで読み出される。
Next, since the capacitor voltage Vcap is in the on state at the timing T2 at which the reset signal is read for the second time, the potential of the floating diffusion FD portion is equal to that of the transfer transistor 11 as shown in FIG. The state is uniformly lowered from the end of the
次いで、転送パルスφTRFをオンすることにより、図5(A)に示すように、転送トランジスタ11のゲート電極11G下のポテンシャル電位が低くなる。そのため、リセットパルスφRSTをオンオフしてから転送パルスφTRFをオンするまでの間(露光期間内)にフォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ11のゲート電極11G下を通してフローティングディフュージョンFDに転送される。
Next, by turning on the transfer pulse φTRF, the potential potential below the
したがって、信号電荷の転送(フローティングディフュージョンFDへの転送)後に転送パルスφTRFをオフ状態として、1回目の画素信号の読み出しを行うタイミングT3では、上記2回目のリセット信号の読み出し時と同様にキャパシタ電圧Vcapがオン状態となっている。そのため、フローティングディフュージョンFD部分のポテンシャルは、図5(B)に示すように、転送トランジスタ11のゲート電極11の端部からリセットトランジスタ12のゲート電極12Gにかけて一様に低い状態になるとともに、その電位レベルがフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送により、上記2回目のリセット信号の読み出し時よりも“Q/C1”だけ高いものとなる。したがって、上記タイミングT3では、1回目の画素信号が“VDD+Vfs1+Vfs2−Q/C1”のレベルで読み出される。ちなみに、QはフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷の電荷量で、C1は1回目の画素信号の読み出し時におけるフローティングディフュージョンFDの容量である。
Therefore, at the timing T3 at which the transfer pulse φTRF is turned off after the signal charge transfer (transfer to the floating diffusion FD) and the first pixel signal is read, the capacitor voltage is the same as the second reset signal read. Vcap is on. Therefore, the potential of the floating diffusion FD portion is uniformly low from the end of the gate electrode 11 of the transfer transistor 11 to the
その後、2回目の画素信号の読み出しを行うタイミングT4では、上記1回目のリセット信号の読み出し時と同様にキャパシタ電圧Vcapがオフ状態となっているため、フローティングディフュージョンFD部分のポテンシャルは、図6に示すように、転送トランジスタ11のゲート電極11Gの端部とこれに対向するリセットトランジスタ12のゲート電極12Gの端部間で部分的に低い状態になるとともに、その電位レベルが上記2回目のリセット信号の読み出し時よりも“Q/C2”だけ高いものとなる。したがって、上記タイミングT4では、上記2回目の画素信号が“VDD+Vfs1+Vfs2−Q/C2”のレベルで読み出される。ちなみに、C2は2回目の画素信号の読み出し時におけるフローティングディフュージョンFDの容量であって、上記C1よりも小さな値をとる。
Thereafter, at the timing T4 when the pixel signal is read for the second time, the capacitor voltage Vcap is in an off state as in the case of reading the reset signal for the first time. Therefore, the potential of the floating diffusion FD portion is shown in FIG. As shown in the figure, the state is partially lowered between the end of the
以上のような手順で各画素1から複数回(本例では2回)ずつリセット信号と画素信号を読み出すことにより、CDS回路20には、各々のタイミングT1,T2,T3,T4で読み出された信号(リセット信号、画素信号)が順に取り込まれる。その際、CDS回路20では、タイミングT4で読み出された画素信号とタイミングT1で読み出されたリセット信号との差分を演算することでノイズを低減し、キャパシタ電圧Vcapをオフ状態(フローティングディフュージョンFDの変換効率を相対的に低い状態)としたときの差分信号(以下、「高感度信号」とも記す)を出力する。また、CDS回路20では、タイミングT3で読み出された画素信号とタイミングT2で読み出されたリセット信号との差分を演算することでノイズを低減し、キャパシタ電圧Vcapをオン状態(フローティングディフュージョンFDの変換効率を相対的に高い状態)としたときの差分信号(以下、「低感度信号」とも記す)を出力する。
By reading out the reset signal and the pixel signal from each pixel 1 a plurality of times (in this example, twice) in the above procedure, the
したがって、フォトダイオードPDでの信号電荷量と出力処理部8での信号出力との関係でみてみると、図7に示すように、高感度信号は、フローティングディフュージョンFDの変換効率を高くした状態(撮像の感度を高くした状態)で得られる画素信号となり、低感度信号は、フローティングディフュージョンFDの変換効率を低くした状態(撮像の感度を低くした状態)で得られる画素信号となる。
Therefore, when viewed from the relationship between the signal charge amount at the photodiode PD and the signal output at the
このようにフローティングディフュージョンFDの変換効率を変えて得られる2つの画素信号(高感度信号、低感度信号)は、出力処理部8による選択処理で、一方の画素信号のみが選択されて最終的な信号出力として取り出される。具体的な画素信号の選択方法としては、閾値を用いた方法を採用することができる。例えば、出力処理部8において、一定の信号出力レベルを閾値レベルに設定し、出力処理部8に信号選択処理機能の一つとして設けられた信号量判定回路21で、高感度信号の出力レベルと閾値レベルとの大小関係を比較判定する。そして、高感度信号の出力レベルが閾値レベル以下であると判定した場合は、当該高感度信号を最終的な信号出力として選択し、高感度信号の出力レベルが閾値レベルを超えていると判定した場合は、低感度信号を最終的な信号出力として選択する。
The two pixel signals (high sensitivity signal and low sensitivity signal) obtained by changing the conversion efficiency of the floating diffusion FD in this way are selected by the
この場合、閾値の設定は、フローティングディフュージョンFDの電圧の変動範囲や、後段の信号処理でのγ補正におうじて、最適値に設定する必要がある。フローティングディフュージョンFDの電圧の変動範囲は、MOSキャパシタ14に印加されるキャパシタ電圧Vcapの設定電圧によって制御する。そのため、電圧制御部15においては、キャパシタ電圧Vcapが3値以上(例えば、0、低圧、中圧、高圧など)をとり得る構成とし、仕様が不明な後段の信号処理に対しても、柔軟に対応できるようにすることが望ましい。
In this case, the threshold value needs to be set to an optimum value in accordance with the fluctuation range of the voltage of the floating diffusion FD and the γ correction in the signal processing at the subsequent stage. The fluctuation range of the voltage of the floating diffusion FD is controlled by the set voltage of the capacitor voltage Vcap applied to the
これにより、フォトダイオードPDへの入射光量が少ない場合(フォトダイオードPDに蓄積される信号電荷の電荷量が少ない場合)は、CDS回路20から出力され且つ水平走査回路5で水平信号線7に読み出された高感度信号を、出力処理部8で最終的な画素信号(有効画素信号)として採用(選択)することにより、暗い撮影条件に適合する高い感度で被写体を撮像することができる。また、フォトダイオードPDへの入射光量が多い場合(フォトダイオードPDに蓄積される信号電荷の電荷量が多い場合)は、出力処理部8において、CDS回路20から出力され且つ水平走査回路5で水平信号線7に読み出された低感度信号を、出力処理部8で最終的な画素信号(有効画素信号)として採用(選択)することにより、明るい撮影条件に適合する低い感度で被写体を撮像することができる。そのため、弱い入射光に対しても、強い入射光に対しても、適切な感度をもって撮像することができるため、信号のSN比を向上させることができる。
As a result, when the amount of light incident on the photodiode PD is small (when the amount of signal charge accumulated in the photodiode PD is small), it is output from the
また、フォトダイオードPDでの飽和信号量を増加させたとしても、電荷転送時にキャパシタ電圧Vcapをオン状態してフローティングディフュージョンFDの容量を大きく確保することにより、信号電荷の転送を確実に行えるようになる。よって、ソースフォロアの動作点を高い電圧値に設定し、出力信号のリニアリティを向上させることができる。また、同じ出力電圧の範囲内で、より広範囲の光量を表現することができるため、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。以上のことから、SN比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することが可能となる。 Further, even if the saturation signal amount in the photodiode PD is increased, the signal charge can be reliably transferred by ensuring that the capacitance of the floating diffusion FD is large by turning on the capacitor voltage Vcap during charge transfer. Become. Therefore, the operating point of the source follower can be set to a high voltage value, and the linearity of the output signal can be improved. Further, since a wider range of light quantity can be expressed within the same output voltage range, the dynamic range of the solid-state imaging device can be expanded. From the above, it is possible to simultaneously improve the SN ratio and expand the dynamic range.
また、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットトランジスタ12でリセットするにあたり、電圧制御部15でキャパシタ電圧Vcapをオフ(相対的に低い)状態とし、このオフ状態のもとでリセットパルスφRSTをオンすることによりフローティングディフュージョンFDの電位をリセットするものとなっているため、リセット後にキャパシタ電圧Vcapをオフ状態からオン(相対的に高い)状態に切り替えたときに、フローティングディフュージョンFDの電位を、より高い(深い)状態にリセットすることができる。
Further, when the potential of the floating diffusion FD is reset by the
また、リセットトランジスタ12によるリセット後に、電圧制御部15でキャパシタ電圧Vcapをオン(相対的に高い状態)状態とし、このオン状態のもとで転送パルスφTRFをオンすることにより、フォトダイオードPDの信号電荷を転送トランジスタ11でフローティングディフュージョンFDに転送するものとなっているため、フォトダイオードPDへの信号電荷の逆流を抑制しつつ、フローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送を効率よく確実に行うことができる。
Further, after resetting by the
なお、上記実施形態においては、リセット信号と画素信号の読み出しを、それぞれフローティングディフュージョンFDの変換効率を変えて2回ずつ行うものとしたが、本発明はこれに限らず、例えば、撮影環境(明暗の度合い)の違いをセンサ等で検知し、ある基準値以上に明るい撮影環境では、フローティングディフュージョンFDの変換効率を相対的に低い状態に設定して、リセット信号と画素信号の読み出しを1回ずつ行い、基準値未満の暗い撮影環境では、フローティングディフュージョンFDの変換効率を相対的に高い状態に設定して、リセット信号と画素信号の読み出しを1回ずつ行うものとしてもよい。また、一つの撮影視野内に明部と暗部が混在する場合は、それぞれの部位でフローティングディフュージョンFDの変換効率の設定を変えて、リセット信号と画素信号の読み出しを行うようにしてもよい。 In the above embodiment, the reset signal and the pixel signal are read twice each while changing the conversion efficiency of the floating diffusion FD. However, the present invention is not limited to this. In a shooting environment brighter than a certain reference value, the conversion efficiency of the floating diffusion FD is set to a relatively low state, and the reset signal and the pixel signal are read once each. In a dark photographing environment less than the reference value, the conversion efficiency of the floating diffusion FD may be set to a relatively high state, and the reset signal and the pixel signal may be read once. When a bright part and a dark part coexist in one field of view, the reset signal and the pixel signal may be read by changing the setting of the conversion efficiency of the floating diffusion FD in each part.
1…画素、2…撮像領域、3…垂直選択駆動回路、4…列信号処理部、5…水平走査回路、6…タイミングジェネレータ、7…水平信号線、8…出力処理部、11…転送トランジスタ、12…リセットトランジスタ、13…増幅トランジスタ、14…MOSキャパシタ、15…電圧制御部、20…CDS回路、21…信号量判定回路、FD…フローティングディフュージョン、PD…フォトダイオード DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pixel, 2 ... Imaging region, 3 ... Vertical selection drive circuit, 4 ... Column signal processing part, 5 ... Horizontal scanning circuit, 6 ... Timing generator, 7 ... Horizontal signal line, 8 ... Output processing part, 11 ... Transfer transistor , 12 ... Reset transistor, 13 ... Amplification transistor, 14 ... MOS capacitor, 15 ... Voltage controller, 20 ... CDS circuit, 21 ... Signal amount determination circuit, FD ... Floating diffusion, PD ... Photodiode
Claims (2)
前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を転送する転送部と、
前記転送部により転送された前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部で変換された信号電圧を読み出す際に、前記電荷電圧変換部の変換効率を第1の変換効率又は該第1の変換効率より高い第2の変換効率に可変制御する制御部と、
前記電荷電圧変換部で変換された信号電圧を読み出す際に、前記電荷電圧変換部の変換効率が前記第1の変換効率及び前記第2の変換効率の値に設定された状態でそれぞれ得られる第1の信号電圧及び第2の信号電圧を読み出す読み出し制御部と、
前記第2の信号電圧と予め設定された所定の閾値レベルとを比較し、該比較結果に基づいて、前記読み出し制御部から読み出された前記第1の信号電圧及び前記第2の信号電圧から最終的に出力する信号電圧を選択する出力処理部と
を備え、
前記制御部は、前記電荷電圧変換部に接続されたキャパシタと、前記キャパシタに電圧を印加し且つ当該印加電圧を制御する電圧印加制御部とを有し、
前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット素子を有し、
前記リセット素子に印加する電源電圧をオン状態に維持しつつ、前記電圧印加制御部により前記キャパシタへの印加電圧を相対的に低い電圧に設定した状態で、前記リセット素子により前記電荷電圧変換部の電位をリセットし、
前記リセット素子によるリセット後に、前記リセット素子に印加する電源電圧をオン状態に維持しつつ、前記電圧印加制御部により前記キャパシタへの印加電圧を相対的に高い電圧に設定した状態で、前記転送部により前記信号電荷を前記電荷電圧変換部に転送する
固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light and accumulates signal charges;
A transfer unit that transfers the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit;
A charge-voltage converter that converts the signal charge transferred by the transfer unit into a signal voltage;
A control unit that variably controls the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit to the first conversion efficiency or the second conversion efficiency higher than the first conversion efficiency when reading the signal voltage converted by the charge voltage conversion unit When,
When the signal voltage converted by the charge-voltage converter is read, the conversion efficiency of the charge-voltage converter is obtained in a state where the conversion efficiency is set to the values of the first conversion efficiency and the second conversion efficiency , respectively . A read controller that reads the signal voltage of 1 and the second signal voltage;
The second signal voltage is compared with a predetermined threshold level set in advance, and based on the comparison result, the first signal voltage and the second signal voltage read from the read control unit are compared. An output processing unit for selecting a signal voltage to be finally output,
The controller includes a capacitor connected to the charge-voltage converter, and a voltage application controller that applies a voltage to the capacitor and controls the applied voltage.
A reset element for resetting the potential of the charge-voltage converter,
While maintaining the power supply voltage applied to the reset element in the ON state, the voltage application control unit sets the voltage applied to the capacitor to a relatively low voltage, and the reset element causes the charge voltage conversion unit to Reset the potential,
After the reset by the reset element, the transfer unit in a state where the voltage applied to the capacitor is set to a relatively high voltage by the voltage application control unit while maintaining the power supply voltage applied to the reset element in an on state. A solid-state imaging device that transfers the signal charge to the charge-voltage converter.
前記固体撮像装置に印加する電源電圧をオン状態に保持しつつ、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記転送部により前記電荷電圧変換部に転送する転送工程と、
前記転送工程の後に、前記固体撮像装置に印加する電源電圧をオン状態に保持しつつ、前記制御部により前記電荷電圧変換部の変換効率を第1の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部の画素信号レベルを前記読み出し制御部で読み出す第1の画素信号読み出し工程と、
前記第1の画素信号読み出し工程の後に、前記固体撮像装置に印加する電源電圧をオン状態に保持しつつ、前記制御部により前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第1の変換効率より高い第2の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部の画素信号レベルを前記読み出し制御部で読み出す第2の画素信号読み出し工程と、
前記出力処理部で、前記第2の画素信号読み出し工程で読み出した画素信号レベルと予め設定された所定の閾値レベルとを比較し、該比較結果に基づいて、前記第1の画素信号読み出し工程で読み出した画素信号レベル及び前記第2の画素信号読み出し工程で読み出した画素信号レベルのうち一方を最終的に出力する画素信号レベルとして選択する選択工程と、
前記転送工程の前に、前記固体撮像装置に印加する電源電圧をオン状態に保持しつつ、前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第2の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部のリセット信号レベルを読み出す第1のリセット信号読み出し工程と、
前記第1のリセット信号読み出し工程の後で且つ前記転送工程の前に、前記固体撮像装置に印加する電源電圧をオン状態に保持しつつ、前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第1の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部のリセット信号レベルを読み出す第2のリセット信号読み出し工程と
を有する固体撮像装置の駆動方法。 A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to accumulate signal charges, a transfer unit that transfers the signal charges stored in the photoelectric conversion unit, and a signal voltage that is transferred by the transfer unit to a signal voltage A charge voltage conversion unit that controls the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit when reading the signal voltage converted by the charge voltage conversion unit, and the signal voltage converted by the charge voltage conversion unit. A method for driving a solid-state imaging device, comprising: a readout control unit that reads out; and an output processing unit that selects a signal voltage that is finally output based on the signal voltage read out from the readout control unit,
A transfer step of transferring the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit by the transfer unit while maintaining the power supply voltage applied to the solid-state imaging device in an on state;
After the transfer step, while maintaining the power supply voltage applied to the solid-state imaging device in the ON state, the charge voltage in the state where the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit is set to the first conversion efficiency by the control unit A first pixel signal readout step of reading out the pixel signal level of the conversion unit by the readout control unit;
After the first pixel signal readout step, the control unit causes the charge voltage conversion unit to have a higher conversion efficiency than the first conversion efficiency while maintaining the power supply voltage applied to the solid-state imaging device in an on state. A second pixel signal readout step of reading out the pixel signal level of the charge-voltage conversion unit by the readout control unit in a state where the conversion efficiency is set to 2.
The output processing unit compares the pixel signal level read in the second pixel signal reading step with a predetermined threshold level set in advance, and based on the comparison result, in the first pixel signal reading step A selection step of selecting one of the read pixel signal level and the pixel signal level read in the second pixel signal read step as a pixel signal level to be finally output;
Before the transfer step, the charge voltage conversion unit is set in the state where the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit is set to the second conversion efficiency while holding the power supply voltage applied to the solid-state imaging device in the ON state. A first reset signal reading step of reading the reset signal level of
After the first reset signal readout step and before the transfer step, the conversion efficiency of the charge voltage conversion unit is changed to the first conversion while maintaining the power supply voltage applied to the solid-state imaging device in the on state. A second reset signal reading step of reading a reset signal level of the charge-voltage converter in a state where the efficiency is set;
A method for driving a solid-state imaging device.
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