JP2013030997A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ信号の傾きを変えてＡＤ変換ゲインを上げても横線状のノイズの発生を抑制することができる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】２次元状に配列された複数の画素と、ランプ信号を生成する参照信号生成回路と、ランプ信号の出力に合わせてカウント動作を行うカウンタ回路と、列毎に配置され、画素からの画素信号をランプ信号と比較処理してＡＤ変換するＡＤ変換回路とを備え、ＡＤ変換回路に、画素信号及びランプ信号が入力される比較器とＡＤ変換結果を記憶する記憶部とを設けるとともに、参照信号生成回路の出力端子とランプ信号を入力するための比較器の入力端子との間にランプ信号の傾きを変える振幅変換回路を設けて、ランプ信号に重畳するノイズがランプ信号の傾きに依存して変化するようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、アナログデジタル変換回路（ＡＤ変換回路）を有する固体撮像装置に関する。

ＡＤ変換回路を内蔵したＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置は、デジタルカメラ等の画像入力機器に利用されている。固体撮像装置に内蔵されるＡＤ変換回路には、列毎の画素信号と共通のランプ信号（参照信号）とを比較処理することでデジタルデータを得るものがある。ランプ信号を用いるＡＤ変換回路において、上位ビット用のランプ信号に下位ビット用のランプ信号を重畳して２段階のＡＤ変換を行うことにより、高分解能なＡＤ変換技術が公開されている（特許文献１参照）。また、シングルスロープ型のＡＤ変換回路のように１種類のランプ信号を用いた場合でも、ランプ信号源から出力されるランプ信号の傾きを変えてＡＤ変換ゲインを高分解能としている。

特開２００２−２３２２９１号公報

しかしながら、ＡＤ変換回路において複数のランプ信号を用いた場合には、個別のランプ信号精度及びランプ信号間の相対精度がＡＤ変換誤差を生じさせる原因となる。また、ランプ信号源でランプ信号の振幅を小さくして出力しＡＤ変換ゲインを上げた時、ランプ信号源の出力バッファ段で発生するノイズは、ランプ信号の傾きに依存しないために、結果的に画素行毎に横線状のノイズが大きく検知されてしまう課題があった。

本発明の目的は、ランプ信号の傾きを変えてＡＤ変換ゲインを上げても横線状のノイズの発生を抑制することができる固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、各々が光電変換素子を含み、２次元状に配列された複数の画素と、時間の経過にともなって信号レベルが単調に変化する参照信号を生成する参照信号生成回路と、前記参照信号生成回路からの参照信号の出力に合わせてカウント動作を行うカウンタ回路と、前記画素の列毎に配置され、前記画素からの画素信号と前記参照信号生成回路により生成された前記参照信号の比較を行って前記画素信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換回路とを備え、前記ＡＤ変換回路は、前記画素信号が第１の入力端子に入力され、前記参照信号が第２の入力端子に入力される比較器と、前記カウンタ回路によるカウント値を、前記比較器の出力が反転したときに記憶する記憶部と、前記参照信号生成回路の出力端子と前記比較器の前記第２の入力端子との間に設けられ、前記参照信号生成回路からの前記参照信号の振幅を変える振幅変換回路とを有することを特徴とする。

本発明によれば、参照信号に重畳するノイズが参照信号の傾きに依存して変化するので、参照信号によるゲイン調整を行っても、良好なＡＤ変換精度が得られるとともに、参照信号生成回路に起因する横線状のノイズは増加しない。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る比較部の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る信号波形を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る比較部の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る比較部の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る信号波形を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成例を示す概略図である。固体撮像装置は、画素部１、増幅回路２、比較部３、参照信号生成回路４、記憶部５、カウンタ回路６、水平走査回路７、垂直走査回路８、及び信号処理回路９を有する。画素部１は、光電変換素子を含む複数の画素を有し、それらが２次元状に（行方向及び列方向に）配列されている。画素部１の各列に対応して、列毎に増幅回路２、比較部３、及び記憶部５が配置される。列毎に設けられる増幅回路２、比較部３、及び記憶部５は、画素部１が有する画素からの画素信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換回路を構成する。

画素部１が有する画素の各々は、例えば、図３に示すように光電変換素子（フォトダイオード）３０と４つのＭＯＳトランジスタ３１、３２、３３、３４とを有する。光電変換素子３０は、光電変換により電荷を生成する。トランジスタ３１は、光電変換素子３０に蓄積された電荷を読み出すための転送用のトランジスタであり、信号ＰＴＸにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。トランジスタ３２は、フローティングディフュージョン部ＦＤをリセットするためのリセット用のトランジスタであり、信号ＰＲＥＳにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。

トランジスタ３３は、フローティングディフュージョン部ＦＤにおける電荷を増幅して信号電圧に変換するソースフォロア用のトランジスタである。トランジスタ３４は、ソースフォロアの出力と画素信号出力線３５との接続を制御することによって２次元状に配列された画素を行選択する行選択用のトランジスタであり、信号ＰＳＥＬにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。増幅回路２が有する定電流源３６は、ソースフォロア用の定電流源である。

増幅回路２は、画素部１から読み出される画素信号を増幅する。比較部３は、増幅回路２により増幅された画素信号と、参照信号生成回路４で生成され信号線１０を介して供給されるランプ信号ＶＲＭＰとが入力される。比較部３は、差動入力型比較器を含み、画素信号とランプ信号ＶＲＭＰとの電圧の大きさを比較して、信号電圧の大小関係が反転する時にハイレベルからローレベル若しくはローレベルからハイレベルに出力を遷移させる。

参照信号生成回路４は、複数の比較部３に共通に接続され、参照信号であるランプ信号を生成する。ここで、ランプ信号は、時間の経過にともなって信号レベル（信号の大きさ）が単調に変化する信号であり、例えば出力電圧が時間の経過とともに単調減少若しくは単調増加する信号である。カウンタ回路６は、複数列の記憶部５に共通に接続され、参照信号生成回路４からの参照信号であるランプ信号の出力に合わせてカウント動作を行い、カウント値を出力する。言い換えれば、カウンタ回路６は、参照信号であるランプ信号が参照信号生成回路４から出力されている期間中（ランプ信号が変化している期間中）においてカウント動作を行い、カウント値を出力する。記憶部５は、対応する比較部３の出力電位が反転するタイミングで、カウンタ回路６から出力されるカウント値をデジタルデータとして記憶する。

記憶部５は、デジタルデータとして画素信号の基準信号Ｎと有効信号Ｓの２種類のデータを記憶することができる。２種類のデータを記憶する場合には、後段の信号処理回路９で（Ｓ−Ｎ）の差分処理を行う。なお、カウンタ回路６をダウンモードとアップモードの機能を備えたものにすればカウント結果は（Ｓ−Ｎ）の差分処理結果となるので記憶部５は１種類のデータ用で良い。

記憶部５に記憶されたデジタルデータは、水平走査回路７によって列毎に信号処理回路９に順次転送される。これら画素からの画素信号の読み出しに係る一連の動作は、垂直走査回路８で画素部１の画素行を適宜選択しながら行われる。なお、図１においては、各回路に必要なパルスとそのタイミングを制御する回路は省略している。

図２は、第１の実施形態における比較部３の回路構成例を示す図である。第１の実施形態における比較部３は、差動入力型の比較器２０、入力容量Ｃ２１、ランプ信号振幅調整用の容量Ｃ２２、Ｃ２３、及び容量Ｃ２２、Ｃ２３に係る接続制御を行う切り替えスイッチ２４、２５を有する。

差動入力型の比較器２０は、第１の入力端子が増幅回路２に接続され、第２の入力端子が入力容量（第１の容量）Ｃ２１を介して信号線１０に接続される。信号線１０の一端は、参照信号であるランプ信号を生成する参照信号生成回路４の出力端子に接続されている。また、容量（第２の容量）Ｃ２２とスイッチ（第１のスイッチ）２４とが直列に接続された第１の直列回路が、比較器２０の第２の入力端子と基準電圧との間に接続される。また、容量（第３の容量）Ｃ２３とスイッチ（第２のスイッチ）２５とが直列に接続された第２の直列回路が、比較器２０の第２の入力端子と信号線１０との間に接続される。

これら入力容量Ｃ２１、容量Ｃ２２、Ｃ２３、及びスイッチ２４、２５は、参照信号であるランプ信号の振幅を変える参照信号振幅変換回路を構成する。本実施形態においては、参照信号生成回路４の出力端子と比較器２０の第２の入力端子との間に参照信号振幅変換回路が接続され、参照信号生成回路４から出力されたランプ信号は、参照信号振幅変換回路によって振幅が制御された後に比較器２０に入力される。スイッチ２４、２５をオン／オフ制御することにより容量Ｃ２２、Ｃ２３に係る接続制御を行い、その接続制御によって接続される容量Ｃ２２、Ｃ２３及び入力容量Ｃ２１により容量分割することで参照信号生成回路４からのランプ信号の振幅を変える。

信号線２６を介して差動入力型の比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅は、スイッチ２４、２５の制御に応じて、以下の式（１），（２），（３）で表すことができる。以下において、ＲＭＰＡは、スイッチ２４、２５がともにオフである時に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅であり、ＲＭＰＢは、スイッチ２４、２５がともにオンである時に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅である。また、ＲＭＰＣは、スイッチ２４がオンであり、かつスイッチ２５がオフである時に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅である。また、下記式において、ＶＲＭＰは参照信号生成回路４から出力されるランプ信号ＶＲＭＰの振幅を示し、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３のそれぞれは、入力容量Ｃ２１、容量Ｃ２２、Ｃ２３の容量値を示すものとする。なお、下記式においては、説明を簡略化するため、各端子の寄生容量は省略している。
ＲＭＰＡ＝ＶＲＭＰ …（１）
ＲＭＰＢ＝ＶＲＭＰ×（Ｃ２１＋Ｃ２３）／（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３） …（２）
ＲＭＰＣ＝ＶＲＭＰ×Ｃ２１／（Ｃ２１＋Ｃ２２） …（３）

次に、第１の実施形態における固体撮像装置での動作について説明する。図４は、第１の実施形態に係る信号波形を示すタイミングチャートであり、画素行１行分の画素の回路動作と参照信号生成回路の動作を説明するためのタイミングチャートを示している。なお、図４においては図示を省略しているが、画素信号が読み出される行に対応する信号ＰＳＥＬがハイレベルとされる。画素部１からは、画素部１をリセットしたリセット信号及びリセット信号に重畳された光電変換信号が画素信号として読み出される。

まず、信号ＰＲＥＳがハイレベルに変化することでリセット用のトランジスタ３２がオン状態になり、フローティングディフュージョン部ＦＤがリセットされる。次に、信号ＰＲＥＳがローレベルに変化することでリセット用のトランジスタ３２がオフ状態になり、増幅回路２を介してリセット信号が出力される。このリセット信号に対して、期間Ｔ１において第１のＡＤ変換処理を行う。第１のＡＤ変換処理では、比較器２０に入力される振幅制御後のランプ信号ＲＭＰとリセット信号との大小関係が反転する時に、比較部３の出力がハイレベルからローレベル若しくはローレベルからハイレベルに遷移する。この比較部３の出力電位が反転するタイミングで、記憶部５がカウンタ回路６から出力されるカウント値を第１のデジタルデータとして記憶する。

続いて、第１のＡＤ変換処理が完了した後、画素部１では信号ＰＴＸがハイレベルに変化し光電変換素子３０に蓄えられた電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤに転送されることで、増幅回路２から画素信号が出力される。リセット信号の場合と同様に、画素信号に対して、期間Ｔ２において第２のＡＤ変換処理を行う。そして、比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰと画素信号との大小関係が反転し、比較部３の出力電位が反転するタイミングで、記憶部５がカウンタ回路６から出力されるカウント値を第２のデジタルデータとして記憶する。

各列の記憶部５に記憶された第１及び第２のデジタルデータは、水平走査回路７により信号処理回路９に転送され、信号処理回路９で第１及び第２のデジタルデータの差分処理を行うことにより、列毎の比較部３の特性バラツキが除去される。なお、信号処理回路９では差分処理を行わずに、固体撮像装置の外部で差分処理等の信号処理を行うようにしても良い。

前述した第１のＡＤ変換処理及び第２のＡＤ変換処理において、処理結果として得られるデジタルデータの値は、画素からの信号（リセット信号、画素信号）と、比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの傾き（振幅）で決まる。図４に示したように比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰは、スイッチ２４、２５を適宜制御することにより、前述の式（１）、（２）、（３）のように傾きが可変であるため、例えば、チップ個体差のバラツキがあっても傾きの調整が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る固体撮像装置は、比較部を除いて前述した第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるので、以下では第１の実施形態と異なる部分について説明する。図５は、第２の実施形態における比較部３の回路構成例を示す図である。図５において、図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施形態における比較部３において、差動入力型の比較器２０は、第１の入力端子が容量（第４の容量）Ｃ５０を介して増幅回路２に接続され、第２の入力端子が入力容量（第１の容量）Ｃ２１を介して信号線１０に接続される。また、比較器２０の第１の入力端子には、容量（第５の容量）Ｃ５２及び常に非導通状態とされるＭＯＳトランジスタ５４からなるダミー回路（第３の直列回路）が接続される。容量Ｃ５２は、第１の電極が比較器２０の第１の入力端子に接続され、第２の電極がトランジスタ５４のドレインに接続される。トランジスタ５４のゲート及びソースは、所定の電位（例えば基準電圧）に接続される。また、容量分割を構成するランプ信号振幅調整用の容量（第２の容量）Ｃ５１とスイッチ（第１のスイッチ）５３とが直列に接続された直列回路（第１の直列回路）が、比較器２０の第２の入力端子と基準電圧との間に接続される。スイッチ５３は、信号ＰＡＤＪにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。

スイッチ５３をオン／オフ制御することにより容量分割比が変わり、比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅が変わる。容量Ｃ５２及び非導通状態とされるＭＯＳトランジスタ５４からなるダミー回路を設けることにより、スイッチ５３がオフである場合での比較器２０の２つの入力部の対称性を維持している。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態に係る固体撮像装置は、比較部を除いて前述した第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるので、以下では第１の実施形態と異なる部分について説明する。図６は、第３の実施形態における比較部３の回路構成例を示す図である。図６において、図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。第３の実施形態における比較部３は、差動入力型の比較器２０、入力容量Ｃ２１、ランプ信号振幅調整用の容量Ｃ６０、Ｃ６１、及び容量Ｃ６０、Ｃ６１に係る接続制御を行う切り替えスイッチ６２、６３を有する。

差動入力型の比較器２０は、第１の入力端子が増幅回路２に接続され、第２の入力端子が入力容量（第１の容量）Ｃ２１を介して信号線１０に接続される。信号線１０の一端は、参照信号であるランプ信号を生成する参照信号生成回路４の出力端子に接続されている。また、比較器２０の第２の入力端子と基準電圧との間に、容量（第２の容量）Ｃ６０とスイッチ（第１のスイッチ）６２とが直列に接続された直列回路（第１の直列回路）が接続される。また、比較器２０の第２の入力端子と基準電圧との間に、容量（第２の容量）Ｃ６１とスイッチ（第１のスイッチ）６３とが直列に接続された直列回路（第１の直列回路）が接続される。すなわち、比較器２０の第２の入力端子と基準電圧との間には、２つの直列回路が並列に接続される。

これら入力容量Ｃ２１、容量Ｃ６０、Ｃ６１、及びスイッチ６２、６３は、参照信号であるランプ信号の振幅を変化させる参照信号振幅変換回路を構成する。参照信号生成回路４から出力されたランプ信号は、参照信号生成回路４の出力端子と比較器２０の第２の入力端子との間に接続された参照信号振幅変換回路によって振幅が制御された後に比較器２０に入力される。スイッチ６２、６３をオン／オフ制御することにより容量Ｃ６０、Ｃ６１に係る接続制御を行い、その接続制御によって接続される容量Ｃ６０、Ｃ６１及び入力容量Ｃ２１により容量分割することで参照信号生成回路４からのランプ信号の振幅を変える。

信号線２６を介して差動入力型の比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅は、スイッチ６２、６３の制御に応じて、以下の式（４），（５），（６）で表すことができる。以下において、ＲＭＰＤは、スイッチ６２、６３がともにオフである時（ゲイン１倍設定時）に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅である。ＲＭＰＥは、スイッチ６２がオンであり、かつスイッチ６３がオフである時（ゲイン２倍設定時）に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅である。また、ＲＭＰＦは、スイッチ６２、６３がともにオンである時（ゲイン４倍設定時）に比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの振幅である。ここで、容量Ｃ２１、Ｃ６０、Ｃ６１の容量値の比は１：１：２であるものとする。また、下記式において、ＶＲＭＰは参照信号生成回路４から出力されるランプ信号ＶＲＭＰの振幅を示すものとする。なお、下記式においては、説明を簡略化するため、各端子の寄生容量は省略している。
ＲＭＰＤ＝ＶＲＭＰ×（１） …（４）
ＲＭＰＥ＝ＶＲＭＰ×（１／２） …（５）
ＲＭＰＦ＝ＶＲＭＰ×（１／４） …（６）

図７は、第３の実施形態に係る信号波形を示すタイミングチャートであり、画素行１行分の画素の回路動作と参照信号生成回路の動作を説明するためのタイミングチャートを示している。なお、第３の実施形態における画素の回路動作と参照信号生成回路の動作は、第１の実施形態における画素の回路動作と参照信号生成回路の動作と同様であるので説明は省略する。

第３の実施形態においては、図７に示すように比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰの傾き（振幅）は、スイッチ６２、６３を適宜制御することにより参照信号生成回路４から出力されるランプ信号ＶＲＭＰの１倍、（１／２）倍、（１／４）倍となる。比較器２０に入力されるランプ信号の傾きを変えることで、ＡＤ変換されるデジタルデータは１倍（期間Ｔ３）、２倍（期間Ｔ４）、４倍（期間Ｔ５）となる。このとき、比較器２０に入力されるランプ信号ＲＭＰに重畳するノイズは、ランプ信号の傾きと同様に大きさが変化し、１倍、（１／２）倍、（１／４）倍になる。したがって、ランプ信号の傾き（振幅）を変化させることによってゲイン調整を行っても、良好なＡＤ変換精度が得られるとともに、ランプ信号に重畳するノイズも同様に変化するので横線状のノイズの発生を抑制することができる。

なお、前述した第１〜第３の実施形態における比較部３が有する各容量は、例えば拡散容量、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）容量、ポリシリコンを用いて構成された容量等である。また、本発明の実施形態における固体撮像装置の一例として、画素部１の下側にのみ増幅回路２や比較器３等の回路を配置した構成を図１に示したが、本発明はこれに限定されるものではない。画素部１の上側にも下側と同じ回路を配置する構成でも良く、その場合には列毎に画素信号を上側に読み出すか、下側に読み出すかが決定されることが望ましい。また、前述した各実施形態において列毎に記憶部５を設け、複数列の記憶部５に共通に接続されるカウンタ回路６を設ける構成を一例として示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば列毎にカウンタ回路６を配置する構成であっても良い。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、例えばスキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に適用可能である。

１…画素部、２…増幅回路、３…比較部、４…参照信号生成回路、５…記憶部、６…カウンタ回路、２０…比較器、Ｃ２１…入力容量、Ｃ２２ Ｃ２３…容量、２４ ２５…切り替えスイッチ

Claims (6)

1. 各々が光電変換素子を含み、２次元状に配列された複数の画素と、
   時間の経過にともなって信号レベルが単調に変化する参照信号を生成する参照信号生成回路と、
   前記参照信号生成回路からの参照信号の出力に合わせてカウント動作を行うカウンタ回路と、
   前記画素の列毎に配置され、前記画素からの画素信号と前記参照信号生成回路により生成された前記参照信号の比較を行って前記画素信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換回路とを備え、
   前記ＡＤ変換回路は、
   前記画素信号が第１の入力端子に入力され、前記参照信号が第２の入力端子に入力される比較器と、
   前記カウンタ回路によるカウント値を、前記比較器の出力が反転したときに記憶する記憶部と、
   前記参照信号生成回路の出力端子と前記比較器の前記第２の入力端子との間に設けられ、前記参照信号生成回路からの前記参照信号の振幅を変える振幅変換回路とを有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記振幅変換回路は、前記参照信号の振幅を容量分割により制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記振幅変換回路は、
   前記参照信号生成回路の出力端子と前記比較器の前記第２の入力端子との間に接続された第１の容量と、
   前記比較器の前記第２の入力端子と基準電圧との間に接続され、直列に接続された第２の容量及び第１のスイッチを含む第１の直列回路とを有することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記比較器の前記第２の入力端子と基準電圧との間に、複数の前記第１の直列回路を並列に接続したことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記振幅変換回路は、
   直列に接続された第３の容量及び第２のスイッチを含む第２の直列回路を有し、
   前記第１の容量及び前記第２の直列回路を並列に前記参照信号生成回路の出力端子と前記比較器の前記第２の入力端子との間に接続したことを特徴とする請求項３又は４記載の固体撮像装置。
6. 前記画素からの画素信号が供給され、前記比較器の前記第１の入力端子に接続される第４の容量と、
   前記比較器の前記第１の入力端子に接続され、直列に接続された第５の容量及び非導通状態とされるトランジスタを含む第３の直列回路とを有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。

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