JP4557469B2 - Photoelectric conversion device and solid-state imaging system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置、及び固体撮像システムに関し、特に、デジタルカメラなどの光電変換装置、及び固体撮像システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置としては、そのS/N比の良さからCCD撮像素子が多く使われている。しかし、一方では、使い方の簡便さや消費電力の小ささを長所とするいわゆる増幅型固体撮像装置の開発も行われてきた。
【0003】
増幅型固体撮像装置とは、フォトダイオード等の光電変換素子で光信号を電気信号に変換し、この電気信号をトランジスタの制御電極に導くことで、トランジスタの主電極から電気信号に基づく増幅信号を出力するものであり、増幅用トランジスタとしてSITを使ったSIT型イメージセンサ(A.Yusa、J.Nishizawa et al., "SIT image sensor: Design consideration and characteristics," IEEE trans. Vol. ED-33, pp.735-742, June 1986.)、バイポーラトランジスタを使ったBASIS (N.Tanaka et al., "A 310K pixel bipolar imager (BASIS)," IEEE Trans. Electron Devices, vol.35, pp. 646-652, may 1990)、制御電極が空乏化するJFETを使ったCMD (中村ほか“ゲート蓄積型MOSフォトトランジスタイメージセンサ”,テレビ学会誌,41,11,pp.1075-1082 Nov.,1987)、MOSトランジスタを使ったCMOSセンサ (S.K.Mendis, S.E.Kemeny and E.R.Fossum, "A 128 ×128 CMOS active image sensor for highly integrated imaging systems," in IEDM Tech. Dig., 1993, pp. 583-586.) などがある。
【0004】
特に、CMOSセンサはCMOSプロセスとのマッチングがよく、周辺CMOS回路をオンチップ化できることから,開発に力が注がれている。しかし、これらの増幅型固体撮像装置に共通する欠点は、各画素に備わる増幅用トランジスタの出力オフセットが各画素毎に異なるため、イメージセンサの信号としては固定パターンノイズ(FPN)がのるということである。このFPNを除くため、従来色々な信号読み出し回路が工夫されているが、ここではCMOSセンサの代表的な例を以下に説明する。
【0005】
図8は、従来のCMOSイメージセンサを示す回路図である。図8において、1は画素、2は光信号を電気信号に変換し蓄積するフォトダイオード、4はフォトダイオード2に蓄積された電気信号を転送する転送用MOSトランジスタ、3はフォトダイオード2から転送された光信号を増幅する増幅用MOSトランジスタ、5は増幅用MOSトランジスタ3のゲート電極電位をリセットするリセット用MOSトランジスタ、6はリセット用MOSトランジスタ5のドレイン電極と増幅用MOSトランジスタ3のドレイン電極に接続され画素1側へ電源電位を供給する電源電位供給線、7は電気信号に基づく増幅信号の出力元の画素1を選択する選択スイッチ用MOSトランジスタ、8は増幅信号を伝送する信号出力線、9は垂直出力線8に定電流を供給するための定電流供給用MOSトランジスタである。
【0006】
また、10はリセット用MOSトランジスタ5のゲート電位を制御するためのリセット制御線、11は転送用MOSトランジスタ4のゲート電位を制御するための転送制御線、12は選択用MOSトランジスタ7のゲート電位を制御するための選択制御線、13はMOSトランジスタ9が定電流供給源となるような飽和領域動作をするようにMOSトランジスタ9のゲートに一定の電位を供給するための定電位供給線である。
【0007】
さらに、14はリセット制御線11にリセットパルスを供給するためのパルス端子、15は転送制御線10に転送パルスを供給するためのパルス端子、16は選択制御線12に選択パルスを供給するためのパルス端子、17は行列配置の画素1の行を順次選択走査するための垂直走査回路、18−1,18−2は垂直走査回路の第1,第2行選択出力線、19はリセット制御線10にパルス端子15からのパルスを導くスイッチ用MOSトランジスタ、20は転送制御線11にパルス端子14からのパルスを導くスイッチ用MOSトランジスタ、21は選択制御線12にパルス端子16からのパルスを導くためのスイッチ用MOSトランジスタである。
【0008】
さらにまた、22は画素1からの信号を読み出す読み出し回路、23は画素1のリセット信号出力を保持する容量、24は画素1の光信号出力を保持する容量、25は垂直出力線8と容量23との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、26は垂直出力線8と容量24との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、37,38は各々スイッチ用MOSトランジスタ25,26のゲートにパルスを印加するパルス供給端子、27は容量23に保持されたノイズ信号が伝送される水平出力線、28は容量24に保持された光信号が伝送水平出力線、29は容量23と水平出力線27との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、30は容量24と信号出力線28との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタである。
【0009】
また、31は水平出力線27の電位をリセットする水平出力線リセット用MOSトランジスタ、32は水平出力線28の電位をリセットする水平出力線リセット用MOSトランジスタ、33は水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32のソース電極にリセット電位を供給する電源端子、34は行列配置の画素1の列毎に設けられた容量23,24を順次選択する水平走査回路、35−1,35−2はスイッチ用MOSトランジスタ29,30に接続され、36は水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32のゲートにパルスを印加するパルス供給端子、39は水平出力線27の電位と信号出力線28の電位との差電圧分を増幅して出力する差動アンプ、40は差動アンプ39の出力端子である。
【0010】
なお、図8には、簡単のため2行2列の画素1を示しているが、実際には用途に応じた行列数となる。
【0011】
図9は、図8の動作を示すタイミングチャートである。なお、図8で示されているMOSトランジスタはすべてN型とし、ゲート電位がハイレベルでオン状態、ローレベルでオフ状態になるとして説明する。 まず、垂直走査回路17によって第1行選択出力線18−1に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替えられると、第1行の画素1の動作が可能となる。パルス端子16に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替わると、画素1の増幅用MOSトランジスタ3のソースと定電流供給用MOSトランジスタ9とが接続され、画素1側からの信号が垂直出力線8へ出力可能になる。
【0012】
パルス端子15に印加しているパルス信号をハイレベルにすることで、リセット用MOSトランジスタ5をオンして、増幅用MOSトランジスタ3のゲート部をリセット電位にリセットする。
【0013】
つぎに、パルス供給端子37に印加しているパルスをハイレベルに切り替え、画素1の出力信号を読み出して、MOSトランジスタ25を通して容量23に蓄積する。
【0014】
次に、パルス端子14に印加しているパルスをハイレベルにすることで、フォトダイオード2で生成された光信号を、転送用MOSトランジスタ4を通してMOSトランジスタ3のゲートに転送する。
【0015】
ここで、MOSトランジスタ3のゲートに転送した光信号には、画素1の電位のリセット時に発生したノイズ信号が重畳される。
【0016】
引き続き、パルス供給端子38にハイレベルのパルスを印加すると、ノイズ信号が重畳された光信号に基づく増幅信号がMOSトランジスタ26を通して容量24に蓄積される。
【0017】
そして、水平走査回路34が駆動されれば、第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に出力されているパルス信号が順次ハイレベルとなり、容量23,24に蓄積された信号は、それぞれMOSトランジスタ29,30を通して水平出力線27,28に出力される。
【0018】
第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に、ハイレベルのパルスが出力される前にはパルス供給端子36に印加しているパルスをハイレベルとし、水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32を通して水平出力線27,28の電位をリセットしておくことが必要である。
【0019】
水平出力線27,28に導かれた各信号は差動アンプ39に入力され、差分がとられ、出力端子40から光信号に基づく増幅信号が出力される。
【0020】
同様に、2行目の画素1からも信号の読み出しを行えば、出力端子40から光信号に基づく増幅信号が出力される。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、次のような問題点がある。すなわち、差動アンプに入力される信号のゲインが以下説明するように少し異なるので、ノイズが完全に除去できないことである。
【0022】
容量23、24をそれぞれCTN、CTSとし、水平出力線27,28の容量をそれぞれCHN、CHSとすると、差動アンプ39にいたるまでのゲインはそれぞれ、
CTN/(CTN+CHN)
CTS/(CTS+CHS)
である。
【0023】
設計段階では、
CTN=CTS
CHN=CHS
として両者のゲインが等しくなるようにするのであるが、2つの出力経路を完全に合同なレイアウトとするのは難しいこと、また実際のプロセス工程においては設計からのずれが生ずることのために、実際には2つの経路のゲインはわずかに異なる。
【0024】
以上説明した理由で、画素のノイズ信号のばらつきの除去残りが、いわゆる固定パターンノイズ(FPN)として表れ、画素のS/N比が十分あがらない。
【0025】
また、差動アンプ39に至るまでの信号出力のゲイン落ちである。すなわち、差動アンプに入力される信号電圧は、画素出力電圧に対して、
CTS/(CTS+CHS)<1
のゲイン分小さくなっている。
【0026】
一方、差動アンプ39は必ずいくらかのランダム雑音を生じる。また差動アンプ39に至る蓄積容量23,24や水平出力線27,28の寄生容量に起因する熱ノイズが生ずる。これによってランダムノイズに関するセンサのS/N比が落ちることになる。
【0027】
そこで、本発明はFPNを減らしてS/N比を向上させることを課題とする。
【0028】
また、本発明は、ランダムノイズを減らしてS/N比を向上させることを課題とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電変換装置は、行列状に配列された複数の画素であって、それぞれの画素が、光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を転送する転送部と、転送部により転送された電荷に基づく画素信号を出力する画素増幅部と、前記画素増幅部の入力を初期化する画素リセット部と、を有する複数の画素と、前記画素信号に含まれる、前記画素増幅部の入力を初期化する際に発生したノイズ成分を低減するクランプ回路と、前記画素の列に対応して設けられ、前記クランプ回路で前記ノイズ成分が低減された前記画素信号を増幅するアンプと、前記アンプの後段に設けられ、前記アンプのオフセットを除去するオフセット除去回路と、前記画素の電位をリセットする際に生じるノイズ信号を当該画素から出力しているときに前記アンプの入力端子にクランプ電位を印加する印加手段と、を含み、前記クランプ回路は、前記画素からの出力をクランプするクランプ容量と、前記アンプの入力電位をクランプするためのスイッチ素子とを有し、前記アンプは、絶対値が1よりも大きいゲインを設定することが可能であり、前記クランプ容量の一端は、前記アンプの入力端子に接続されることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像システムは、前記光電変換装置を備えることを特徴とする。
【0033】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1の固体撮像装置の等価回路図である。図1において、1は画素、2は光信号を電気信号に変換し蓄積するフォトダイオード、4はフォトダイオード2に蓄積された電気信号を転送する転送用MOSトランジスタ、3はフォトダイオード2から転送された電気信号を増幅する増幅用MOSトランジスタ、5は増幅用MOSトランジスタ3のゲート電極等の電位をリセットするリセット用MOSトランジスタ、6はリセット用MOSトランジスタ5のドレイン電極と増幅用MOSトランジスタ3のドレイン電極に接続され画素1へ電源電位を供給する電源電位供給線、7は電気信号に基づく増幅信号の出力元の画素を選択する選択スイッチ用MOSトランジスタ、8は増幅信号を伝送する垂直出力線、9は垂直出力線8に定電流を供給するための定電流供給用MOSトランジスタである。
【0034】
また、10はリセット用MOSトランジスタ5のゲート電位を制御するためのリセット制御線、11は転送用MOSトランジスタ4のゲート電位を制御するための転送制御線、12は選択用MOSトランジスタ7のゲート電位を制御するための選択制御線、13はMOSトランジスタ9が定電流供給源となるような飽和領域動作をするようにMOSトランジスタ9のゲートに一定の電位を供給するための定電位供給線である。
【0035】
さらに、14はリセット制御線11にリセットパルスを供給するためのパルス端子、15は転送制御線10に転送パルスを供給するためのパルス端子、16は選択制御線12に選択パルスを供給するためのパルス端子、17は画素1の行を順次選択走査する垂直走査回路、18−1,18−2は垂直走査回路17の第1,第2行選択出力線、19はリセット制御線10にパルス端子15からのパルスを導くスイッチ用MOSトランジスタ、20は転送制御線11にパルス端子14からのパルスを導くスイッチ用MOSトランジスタ、21は選択制御線12にパルス端子16からのパルスを導くためのスイッチ用MOSトランジスタである。
【0036】
また、41は各列にあって画素1からの各信号を増幅するゲインアンプ、42は画素1からの出力をクランプするクランプ容量、43はゲインアンプ41の入力電位をクランプするためのMOSスイッチ、44はクランプ電位供給端子、45はクランプスイッチ43のゲートにスイッチパルスを供給するための供給端子である。
【0037】
さらにまた、22は画素1からの信号を読み出す読み出し回路(除去回路)、23は画素1の電位のリセット時に発生するノイズ信号に基づく信号の出力時にゲインアンプ41のオフセットを保持する容量、24はゲインアンプ41のオフセットとゲインアンプ41の出力を保持する容量、25は垂直出力線8と容量23との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、26は垂直出力線8と容量24との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、37,38は各々スイッチ用MOSトランジスタ25,26のゲートにパルスを印加するパルス供給端子、27は容量23に保持された信号が伝送される水平出力線、28は容量24に保持された信号が伝送される水平出力線、29は容量23と水平出力線27との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、30は容量24と信号出力線28との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタである。
【0038】
また、31は水平出力線27の電位をリセットする水平出力線リセット用MOSトランジスタ、32は水平出力線28の電位をリセットする水平出力線リセット用MOSトランジスタ、33は水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32のソース電極にリセット電位を供給する電源端子、34は容量23,24を順次選択する水平走査回路、35−1,35−2はスイッチ用MOSトランジスタ29,30に水平走査回路34からの信号を伝送する第1,第2列選択出力線、36は水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32のゲートにパルスを印加するパルス供給端子、39は水平出力線27の電位と信号出力線28の電位との差電圧分を増幅して出力する差動アンプ、40は差動アンプ39の出力端子である。
【0039】
なお、図1には、簡単のため画素1を2行2列に配列した様子を示しているが、実際には、画素1の数は用途に応じた数となる。また、画素1は、マトリクス状の配列に限定されるものではなく、デルタ状や、ハニカム状に配列するようにしてもよい。
【0040】
図2は、図1のゲインアンプ41の等価回路図である。図2において、46は差動入力段、47は非反転入力部、48は反転入力部、49は定電流供給用のMOSトランジスタ、50は出力段であるソースフォロワ、51は出力部、52は定電流供給用のMOSトランジスタ、53は差動入力段46の出力部とソースフォロワ50の入力部とを接続する結線、54は出力部51と反転入力部48とを接続するMOSトランジスタ、55は一方の電極が反転入力部48に接続され他方の電極が接地又は固定電位に接続されている容量、56は一方の電極が反転入力部48に接続され他方の電極が出力部51に接続されている容量、57はMOSトランジスタ49,52のゲートに一定電位を供給する端子、58はMOSトランジスタ54のゲートに制御パルスを印加する端子である。
【0041】
なお、ゲインアンプ41は、オフセットばらつきが画素1のリセットばらつきよりも小さくなるように設計されるものであって、ゲインの絶対値が1よりも大きいものであれば、構成は図2に示すものに限定されず、例えば他のトランジスタを使って差動入力段が構成されていても、また、ソースフォロワに代えてエミッタフォロワとしてもよい。
【0042】
オフセットに関しては、ゲインアンプ41のレイアウトに関する制約が画素1のレイアウトに関する制約よりも一般にずっと緩やかであるので、オフセットばらつきを小さく設計することは十分可能である。
【0043】
また、ゲインアンプ41のゲインを1よりも大きくすることによって、画素1から出力される信号は最終的にゲイン倍されたものとなる。よって差動アンプ39のノイズや容量23,24に起因する熱雑音が変わらなくても、ランダムノイズに関するS/N比が向上する。
【0044】
ちなみに、図2に示すゲインアンプ41は、動作が信号電圧の大小に依存しない一定の電流で行うことが可能である。また、後述するように容量55,56の容量分割比を変えるだけでゲインを簡易に設定でき、容量分割比は製造ばらつきを受けることが小さく、一般に安定して形成されるため、一定のゲインを得やすいというメリットがある。
【0045】
ゲインアンプ41の電流が信号電圧に依存すると、ゲインアンプ41に供給する接地線、電源線の抵抗に起因する電圧降下量が変動するため、容量23,24におけるオフセットレベルが異なり、かつその差異が信号量によって変動するので、オフセット除去率が低下してFPNに対するS/N比が低下するが、ゲインアンプ41によればそのようなS/N比低下を防ぐことができるというメリットがある。
【0046】
図3は、図1の動作を示すタイミングチャートである。なお、図1で示されているMOSトランジスタはすべてN型とし、ゲート電位がハイレベルでオン状態、ローレベルでオフ状態になるとして説明する。
【0047】
まず、垂直走査回路17によって第1行選択出力線18−1に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替えられると、第1行の画素1の動作が可能となる。パルス端子16に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替わると、画素1の増幅用MOSトランジスタ3のソースと定電流供給用MOSトランジスタ9とが接続され、画素1側からの信号が垂直出力線8へ出力可能になる。
【0048】
パルス端子15に印加しているパルス信号をハイレベルにすることで、リセット用MOSトランジスタ5をオンして、増幅用MOSトランジスタ3のゲート部をリセット電位にリセットする。
【0049】
次に、供給端子45からMOSトランジスタ43のゲートに印加しているパルスをハイレベルに切り替えて、さらに、パルス供給端子37に印加しているパルスをハイレベルに切り替え、ゲインアンプ41の入力電位をクランプ電位とする。
【0050】
ここで、ゲインアンプ41の入力部及び出力部は、それぞれ図2の非反転入力部47及び出力部51である。
【0051】
MOSスイッチ54をオンしている時には、ゲインアンプ41はヴォルテージフォロワとして動作し、反転入力部48が初期化される。このため、供給端子45に印加しているパルスに同期したパルスを供給端子58に印加することによって、出力部51の電位を、非反転入力部47の電位にゲインアンプ41のオフセット電圧を上乗せしたものとし、容量23にゲインアンプ41のオフセットを蓄積する。
【0052】
次に、パルス端子14に印加しているパルスをハイレベルにすることで、フォトダイオード2で生成された光信号を、転送用MOSトランジスタ4を通してMOSトランジスタ3のゲートに転送する。
【0053】
ここで、MOSトランジスタ3のゲートに転送した光信号には、画素1の電位のリセット時に発生したノイズ信号が重畳される。
【0054】
引き続き、パルス供給端子38にハイレベルのパルスを印加すると、ゲインアンプ41に、ノイズ信号が重畳された光信号に基づく増幅信号が入力されることになる。このとき、MOSスイッチ54がオフであるので、この入力信号は電圧帰還型の演算増幅器(オペアンプ)として動作し、容量55,56の容量分割比で決まるゲイン倍に増幅される。
【0055】
このため、容量24にはゲインアンプの出力信号に、ゲインアンプ41のオフセットレベルが重畳された信号が蓄積される。ちなみに、容量55,56の値をそれぞれC1、C2とすると、(C1+C2)/C2がゲインとなる。
【0056】
そして、水平走査回路34が駆動されれば、第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に出力されているパルス信号が順次ハイレベルとなり、容量23,24に蓄積された信号は、それぞれMOSトランジスタ29,30を通して水平出力線27,28に出力される。
【0057】
第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に、ハイレベルのパルスが出力される前にはパルス供給端子36に印加しているパルスをハイレベルとし、水平出力線リセット用MOSトランジスタ31,32を通して水平出力線27,28の電位をリセットしておくことが必要である。
【0058】
水平出力線27,28に導かれた各信号は差動アンプ39に入力され、差分がとられ、出力端子40から光信号に基づく増幅信号が出力される。
【0059】
同様に、2行目の画素1からも信号の読み出しを行えば、出力端子40から光信号に基づく増幅信号が出力される。
【0060】
このように、画素1のノイズ信号の出力期間にMOSスイッチ43によってクランプを行い、ゲインアンプ41の入力電位をクランプ電位にすると、ゲインアンプ41のオフセットは差動アンプ39によって除去され、最終的にはオフセットばらつきの小さいセンサ信号を得ることができる。
【0061】
(実施形態2)
図4は、本発明の実施形態2の固体撮像装置の等価回路図である。図4において、59はクランプ回路を含む読み出し回路(除去手段)、60はクランプ後の信号を保持するための容量、61はクランプ容量42と容量60との導通を制御するスイッチ用MOSトランジスタ、62は容量60に保持された信号が出力される水平出力線、65は水平出力線62の電位をリセットするMOSトランジスタ、66は水平出力線62を通じて伝送される信号を増幅するアンプ、67はアンプ66の出力端子である。なお、図4において図1と同様の部分については同一符号を付している。
【0062】
図5は、図4の動作を示すタイミングチャートである。なお、図4で示されているMOSトランジスタはすべてN型とし、ゲート電位がハイレベルでオンし、ローレベルでオフになるとして説明する。
【0063】
まず、垂直走査回路17によって第1行選択出力線18−1に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替えられると、第1行の画素1の動作が可能となる。パルス端子16に印加しているパルス信号がハイレベルに切り替わると、画素1の増幅用MOSトランジスタ3のソースと定電流供給用MOSトランジスタ9とが接続され、画素1側からの信号が垂直出力線8へ出力可能となる。
【0064】
パルス端子15に印加しているパルス信号をハイレベルにすることで、リセット用MOSトランジスタ5をオンして、増幅用MOSトランジスタ3のゲート部をリセット電位にリセットする。
【0065】
すると、画素1から垂直出力線8に、リセット時に生じるノイズ信号に基づく増幅信号が出力される、この増幅信号は、ゲインアンプ41によって増幅される。
【0066】
この後、パルス入力端子64から入力しているパルス信号をハイレベルとすると共に、供給端子45に印加しているパルスをハイレベルにすると、容量60がクランプ電位供給端子44から供給するクランプ電位となる。
【0067】
次に、パルス端子14に印加しているパルスをハイレベルにすることで、フォトダイオード2で生成された光信号を、転送用MOSトランジスタ4を通してMOSトランジスタ3のゲートに転送する。
【0068】
すると、MOSトランジスタ3のゲートがオンされ、画素1からノイズ信号が重畳された光信号に基づく増幅信号が画素1から出力され、ゲインアンプ41に入力される。
【0069】
この結果、容量60にはゲインアンプ41の出力信号に基づく電位にクランプ電位が加算された状態になる。この時点でパルス入力端子64に印加しているパルス信号をローレベルに戻す。容量60に蓄積された信号は、クランプ動作によって画素1のノイズ信号もゲインアンプ41のオフセットも含まない信号となる。
【0070】
この後、水平走査回路34が駆動されれば、第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に出力されているパルス信号が順次ハイレベルとなり、画素1の各列の容量60に蓄積された信号は、それぞれMOSトランジスタ63を通して水平出力線62に導かれる。
【0071】
第1列選択出力線35−1、第2列選択出力線35−2に出力されているパルス信号を順次ハイレベルに切り替える前には、実施形態1と同様に水平出力線62の電位をリセットしておくことが必要である。水平出力線62に導かれた信号出力はアンプ66に入力され、光信号に基づく増幅信号が出力端子67から出力される。
【0072】
同様に、2行目の画素1からも信号の読み出しを行えば、出力端子67から光信号に基づく増幅信号が出力される。
【0073】
なお、画素1からの信号の電圧は、クランプ容量42と蓄積容量60との容量分割、及び容量60と信号出力線62の容量との容量分割と、2度の容量分割を受けるが、ゲインアンプ41によってゲイン倍されるので、アンプ66に入力される時の信号電圧が大きく低下することはない。
【0074】
一方、画素1のノイズ信号のばらつき、及びゲインアンプ41のオフセットばらつきは、クランプ回路によって除去されるので、FPNに関してもランダムノイズに関しても、高いS/N比となる。
【0075】
また、本実施形態におけるゲインアンプ41の入力部容量は、十分に小さくなるので、任意画素1から出力される信号は、実際上、垂直出力線8の容量のみをチャージアップすればよく、画素出力を高速化できる。
【0076】
(実施形態3)
図6は、本発明の実施形態3の固体撮像装置の等価回路図である。図6に示す固体撮像装置の動作は図1の固体撮像装置の動作と同様である。但し、本実施形態の固体撮像装置は、クランプ回路を備えていないので、蓄積容量23にはゲインアンプ41のオフセットに加え画素1のノイズ信号に基づく信号が蓄積され、蓄積容量24には、ゲインアンプ41のオフセットとゲインアンプ41の出力信号に加え画素1のノイズ信号に基づく信号が蓄積される。
【0077】
このため、アンプ39の出力端子40には、固定パターンノイズとして、画素1のノイズ信号に基づく信号とゲインアンプ41のオフセットとのばらつきの除去残りがあらわれるが、ゲインアンプ41のオフセットのばらつきは小さいので、さほど問題はない。
【0078】
また、ゲインアンプ41では、1よりも大きなゲインで信号増幅を行うので、FPNに関する本実施形態のS/N比は向上するし、ランダムノイズに関するS/N比も、信号がゲインアンプ41でゲイン倍されることにより向上する。
【0079】
また、実施形態2と同様に、画素1からの出力は、実際上、垂直出力線8の寄生容量のみをチャージアップすればよく、画素出力を高速化できるという効果がある。
【0080】
以上、各実施形態では、画素1においてMOSトランジスタによって信号増幅を行っている場合を例に説明したが、他のトランジスタによって信号増幅を行ってもよい。
【0081】
(実施形態4)
図7は、本発明の実施形態4の撮像システムの構成的な構成を示すブロック図である。図7において、1051はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、1052は被写体の光学像を実施形態1〜3で説明した固体撮像装置1054に結像させるレンズ、1053はレンズ1052を通った光量を可変するための絞り、1054はレンズ1052で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、1055は固体撮像素子1054から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、1056は固体撮像素子1054より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、1057はA/D変換器1056より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、1058は固体撮像装置1054,撮像信号処理回路1055,A/D変換器1056,信号処理部1057に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、1059は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、1060は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、1061は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース(I/F)部、1062は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、1063は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部である。
【0082】
つぎに、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。バリア1051がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器1056などの撮像系回路の電源がオンされる。
【0083】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部1059は絞り1053を開放にし、固体撮像装置1054から出力された信号は、撮像信号処理回路1055をスルーしてA/D変換器1056へ出力される。
【0084】
A/D変換器1056は、その信号をA/D変換して、信号処理部1057に出力する。信号処理部1057は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部1059で行う。
【0085】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部1059は絞りを制御する。
【0086】
つぎに、固体撮像素子1054から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部1059で行う。その後、レンズ1052を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ1052を駆動し測距を行う。
【0087】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置1054から出力された画像信号は、撮像信号処理回路1055において補正等がされ、さらにA/D変換器1056でA/D変換され、信号処理部1057を通り全体制御・演算1059によりメモリ部1060に蓄積される。
【0088】
その後、メモリ部1060に蓄積されたデータは、全体制御・演算部1059の制御により記録媒体制御I/F部1061を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1062に記録される。また外部I/F部1063を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、FPNやランダムノイズを減らすことが可能となり、S/N比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の固体撮像装置の等価回路図である。
【図2】図1のゲインアンプ41の等価回路図である。
【図3】図1の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】本発明の実施形態2の固体撮像装置の等価回路図である。
【図5】図4の動作を示すタイミングチャートである。
【図6】本発明の実施形態3の固体撮像装置の等価回路図である。
【図7】本発明の実施形態4の固体撮像システムの模式的な構成を示すブロック図である。
【図8】従来のCMOSイメージセンサを示す回路図である。
【図9】図8の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 画素
2 フォトダイオード
3 MOSトランジスタ
4 転送用MOSスイッチ
5 リセット用MOSスイッチ
6 電源電位供給線
7 選択スイッチ用MOSスイッチ
8 垂直出力線
9 定電流供給用MOSトランジスタ
10 リセット制御線
11 転送制御線
12 選択制御線
13 定電位供給線
14〜16 パルス端子
17 垂直走査回路
18−1 第1行選択出力線
18−2 第2行選択出力線
19〜21 スイッチ用MOSトランジスタ
22 読み出し回路
23,24 容量
25,26 スイッチ用MOSトランジスタ
27,28,62 水平出力線
30 スイッチ用MOSトランジスタ
31,32 水平出力線リセット用MOSトランジスタ
33 電源端子
34 水平走査回路
35−1 第1列選択出力線
35−2 第2列選択出力線
36〜38 パルス供給端子
39 差動アンプ
40 出力端子
41,66 ゲインアンプ
42 クランプ容量
43 MOSトランジスタ
44 クランプ電位供給端子
45 供給端子
46 差動入力段
47 非反転入力部
48 反転入力部
49 MOSトランジスタ
50 ソースフォロワ
51 出力部
52 MOSトランジスタ
53 結線
54 MOSトランジスタ
55,56 容量
57,58 端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device. , And And Solid imaging Regarding systems, in particular, photoelectric conversion devices such as digital cameras , And And Solid imaging It is about the system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a solid-state imaging device, a CCD imaging device is often used because of its good S / N ratio. However, on the other hand, so-called amplification type solid-state imaging devices have also been developed, which have advantages such as ease of use and low power consumption.
[0003]
An amplification type solid-state imaging device converts an optical signal into an electric signal by a photoelectric conversion element such as a photodiode, and guides the electric signal to a control electrode of the transistor, thereby generating an amplified signal based on the electric signal from the main electrode of the transistor. SIT image sensor using SIT as an amplifying transistor (A. Yusa, J. Nishizawa et al., "SIT image sensor: Design consideration and characteristics," IEEE trans. Vol. ED-33, pp.735-742, June 1986), BASIS using bipolar transistors (N. Tanaka et al., "A 310K pixel bipolar imager (BASIS)," IEEE Trans. Electron Devices, vol.35, pp. 646- 652, may 1990), CMD using a JFET with a depleted control electrode (Nakamura et al. “Gate storage type MOS phototransistor image sensor”, TV Society, 41, 11, pp.1075-1082 Nov., 1987), CMOS sensor using MOS transistor (SKMendis, SEKemeny and ERFossum, “A 128 × 128 CMOS active image sensor for highly integrated imaging systems,” in IEDM Tech. Dig., 1993, pp. 583-586.
[0004]
In particular, the CMOS sensor is well matched with the CMOS process, and the peripheral CMOS circuit can be made on-chip. However, a drawback common to these amplifying solid-state imaging devices is that the output offset of the amplifying transistor provided in each pixel is different for each pixel, so that fixed pattern noise (FPN) is carried as an image sensor signal. It is. Conventionally, various signal readout circuits have been devised to eliminate this FPN, but here, typical examples of CMOS sensors will be described below.
[0005]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a conventional CMOS image sensor. In FIG. 8, 1 is a pixel, 2 is a photodiode that converts an optical signal into an electrical signal and stores it, 4 is a transfer MOS transistor that transfers an electrical signal stored in the
[0006]
Further, 10 is a reset control line for controlling the gate potential of the
[0007]
Further, 14 is a pulse terminal for supplying a reset pulse to the
[0008]
Furthermore, 22 is a readout circuit for reading a signal from the
[0009]
Further, 31 is a horizontal output line reset MOS transistor for resetting the potential of the
[0010]
FIG. 8 shows the
[0011]
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of FIG. It is assumed that all the MOS transistors shown in FIG. 8 are N-type, and are turned on when the gate potential is high and turned off when low. First, when the pulse signal applied to the first row selection output line 18-1 is switched to the high level by the
[0012]
By setting the pulse signal applied to the
[0013]
Next, the pulse applied to the
[0014]
Next, by setting the pulse applied to the
[0015]
Here, a noise signal generated when the potential of the
[0016]
Subsequently, when a high level pulse is applied to the
[0017]
When the
[0018]
Before the high-level pulse is output to the first column selection output line 35-1 and the second column selection output line 35-2, the pulse applied to the
[0019]
The signals guided to the
[0020]
Similarly, when signals are read out from the
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique has the following problems. That is, since the gain of the signal input to the differential amplifier is slightly different as will be described below, noise cannot be completely removed.
[0022]
If the
CTN / (CTN + CHN)
CTS / (CTS + CHS)
It is.
[0023]
In the design phase,
CTN = CTS
CHN = CHS
As a result, it is difficult to make the two output paths completely congruent, and the actual process steps may deviate from the design. The two paths have slightly different gains.
[0024]
For the reasons described above, the remaining removal of the variation in the noise signal of the pixel appears as so-called fixed pattern noise (FPN), and the S / N ratio of the pixel is not sufficiently increased.
[0025]
Further, the gain of the signal output up to the
CTS / (CTS + CHS) <1
The gain is smaller.
[0026]
On the other hand, the
[0027]
Accordingly, an object of the present invention is to improve the S / N ratio by reducing FPN.
[0028]
Another object of the present invention is to improve the S / N ratio by reducing random noise.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The photoelectric conversion device of the present invention is a plurality of pixels arranged in a matrix, each pixel being transferred by a photoelectric conversion unit, a transfer unit that transfers charges generated by the photoelectric conversion unit, and a transfer unit A pixel amplifying unit that outputs a pixel signal based on the generated charge; a pixel reset unit that initializes an input of the pixel amplifying unit; and an input of the pixel amplifying unit included in the pixel signal A clamp circuit that reduces a noise component generated when initializing the signal, an amplifier that is provided corresponding to the column of pixels and that amplifies the pixel signal in which the noise component is reduced by the clamp circuit, and the amplifier An offset removal circuit provided in a subsequent stage to remove the offset of the amplifier; Applying means for applying a clamp potential to the input terminal of the amplifier when a noise signal generated when resetting the potential of the pixel is output from the pixel; Including The clamp circuit has a clamp capacitor for clamping the output from the pixel and a switch element for clamping the input potential of the amplifier, and the amplifier sets a gain whose absolute value is larger than 1. One end of the clamp capacitor is connected to the input terminal of the amplifier It is characterized by that.
The solid-state imaging system according to the present invention includes the photoelectric conversion device.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a pixel, 2 is a photodiode that converts an optical signal into an electrical signal and stores it, 4 is a transfer MOS transistor that transfers an electrical signal stored in the
[0034]
Further, 10 is a reset control line for controlling the gate potential of the
[0035]
Further, 14 is a pulse terminal for supplying a reset pulse to the
[0036]
41 is a gain amplifier for amplifying each signal from the
[0037]
Furthermore, 22 is a readout circuit (removal circuit) that reads a signal from the
[0038]
Further, 31 is a horizontal output line reset MOS transistor for resetting the potential of the
[0039]
Although FIG. 1 shows a state in which the
[0040]
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the
[0041]
The
[0042]
Regarding the offset, since the restrictions on the layout of the
[0043]
Further, by making the gain of the
[0044]
Incidentally, the
[0045]
When the current of the
[0046]
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of FIG. Note that the MOS transistors shown in FIG. 1 are all N-type, and are described as being on when the gate potential is high and off when low.
[0047]
First, when the pulse signal applied to the first row selection output line 18-1 is switched to the high level by the
[0048]
By setting the pulse signal applied to the
[0049]
Next, the pulse applied from the
[0050]
Here, the input part and the output part of the
[0051]
When the
[0052]
Next, by setting the pulse applied to the
[0053]
Here, a noise signal generated when the potential of the
[0054]
Subsequently, when a high-level pulse is applied to the
[0055]
Therefore, the
[0056]
When the
[0057]
Before the high-level pulse is output to the first column selection output line 35-1 and the second column selection output line 35-2, the pulse applied to the
[0058]
The signals guided to the
[0059]
Similarly, when signals are read out from the
[0060]
In this way, when clamping is performed by the
[0061]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, 59 is a readout circuit (removing means) including a clamp circuit, 60 is a capacitor for holding the clamped signal, 61 is a switching MOS transistor for controlling conduction between the
[0062]
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of FIG. It is assumed that all the MOS transistors shown in FIG. 4 are N-type, and are turned on when the gate potential is high and turned off when low.
[0063]
First, when the pulse signal applied to the first row selection output line 18-1 is switched to the high level by the
[0064]
By setting the pulse signal applied to the
[0065]
Then, an amplified signal based on a noise signal generated at the time of reset is output from the
[0066]
Thereafter, when the pulse signal input from the pulse input terminal 64 is set to the high level and the pulse applied to the
[0067]
Next, by setting the pulse applied to the
[0068]
Then, the gate of the
[0069]
As a result, the
[0070]
Thereafter, when the
[0071]
Before the pulse signals output to the first column selection output line 35-1 and the second column selection output line 35-2 are sequentially switched to a high level, the potential of the
[0072]
Similarly, when signals are read out from the
[0073]
The voltage of the signal from the
[0074]
On the other hand, the noise signal variation of the
[0075]
In addition, since the input portion capacitance of the
[0076]
(Embodiment 3)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 6 is the same as the operation of the solid-state imaging device of FIG. However, since the solid-state imaging device of this embodiment does not include a clamp circuit, a signal based on the noise signal of the
[0077]
For this reason, the
[0078]
Further, since the
[0079]
Further, as in the second embodiment, the output from the
[0080]
As described above, in each embodiment, the case where the signal amplification is performed by the MOS transistor in the
[0081]
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a block diagram showing a structural configuration of an imaging system according to
[0082]
Next, the operation of the still video camera at the time of shooting in the above configuration will be described. When the
[0083]
Then, in order to control the exposure amount, the overall control / arithmetic unit 1059 opens the
[0084]
The A / D converter 1056 A / D converts the signal and outputs it to the signal processing unit 1057. The signal processing unit 1057 performs exposure calculation by the overall control / calculation unit 1059 based on the data.
[0085]
The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / calculation unit 1059 controls the aperture according to the result.
[0086]
Next, based on the signal output from the solid-state image sensor 1054, the high-frequency component is extracted and the distance to the subject is calculated by the overall control / calculation unit 1059. Thereafter, the lens 1052 is driven to determine whether or not it is in focus. When it is determined that the lens is not in focus, the lens 1052 is driven again to perform distance measurement.
[0087]
Then, after the in-focus state is confirmed, the main exposure starts. When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state imaging device 1054 is corrected and the like in the imaging
[0088]
Thereafter, the data stored in the memory unit 1060 is recorded on a
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, FPN and random noise can be reduced, and the S / N ratio can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of FIG. 1;
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a solid-state imaging apparatus according to
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of FIG. 4;
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a solid-state imaging system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a conventional CMOS image sensor.
9 is a timing chart showing the operation of FIG.
[Explanation of symbols]
1 pixel
2 Photodiode
3 MOS transistor
4 Transfer MOS switch
5 Reset MOS switch
6 Power supply potential supply line
7 MOS switch for selection switch
8 Vertical output line
9 Constant current supply MOS transistor
10 Reset control line
11 Transfer control line
12 Selection control line
13 Constant potential supply line
14-16 pulse terminal
17 Vertical scanning circuit
18-1 First row selection output line
18-2 Second row selection output line
19-21 MOS transistor for switch
22 Read circuit
23,24 capacity
25,26 MOS transistor for switch
27, 28, 62 Horizontal output line
30 MOS transistor for switch
31, 32 Horizontal output line reset MOS transistor
33 Power supply terminal
34 Horizontal scanning circuit
35-1 First column selection output line
35-2 Second column selection output line
36-38 pulse supply terminal
39 Differential Amplifier
40 output terminals
41, 66 gain amplifier
42 Clamping capacity
43 MOS transistor
44 Clamp potential supply terminal
45 Supply terminal
46 Differential input stage
47 Non-inverting input
48 Inverting input section
49 MOS transistor
50 Source follower
51 Output section
52 MOS transistor
53 Connection
54 MOS transistor
55,56 capacity
57, 58 terminals
Claims (3)
前記画素信号に含まれる、前記画素増幅部の入力を初期化する際に発生したノイズ成分を低減するクランプ回路と、
前記画素の列に対応して設けられ、前記クランプ回路で前記ノイズ成分が低減された前記画素信号を増幅するアンプと、
前記アンプの後段に設けられ、前記アンプのオフセットを除去するオフセット除去回路と、
前記画素の電位をリセットする際に生じるノイズ信号を当該画素から出力しているときに前記アンプの入力端子にクランプ電位を印加する印加手段と、を含み、
前記クランプ回路は、前記画素からの出力をクランプするクランプ容量と、前記アンプの入力電位をクランプするためのスイッチ素子とを有し、
前記アンプは、絶対値が1よりも大きいゲインを設定することが可能であり、
前記クランプ容量の一端は、前記アンプの入力端子に接続されることを特徴とする光電変換装置。A plurality of pixels arranged in a matrix, each pixel having a photoelectric conversion unit, a transfer unit that transfers charges generated by the photoelectric conversion unit, and a pixel signal based on the charges transferred by the transfer unit A plurality of pixels having a pixel amplifying unit for output and a pixel reset unit for initializing an input of the pixel amplifying unit;
A clamp circuit for reducing a noise component generated when initializing an input of the pixel amplifier included in the pixel signal;
An amplifier that is provided corresponding to the column of pixels and that amplifies the pixel signal in which the noise component is reduced by the clamp circuit;
An offset removal circuit that is provided in a subsequent stage of the amplifier and removes the offset of the amplifier;
See containing and a applying means for applying a clamping voltage to an input terminal of the amplifier when it is a noise signal generated when resetting the potential of the pixel output from the pixel,
The clamp circuit includes a clamp capacitor for clamping an output from the pixel, and a switch element for clamping an input potential of the amplifier.
The amplifier is capable of setting a gain whose absolute value is greater than 1.
One end of the clamp capacitor is connected to an input terminal of the amplifier .
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