JP5412030B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどに使用される固体撮像装置に関するものである。

ＭＯＳ型固体撮像装置では、光電変換部の信号蓄積を行毎に開始・終了を行うローリングシャッタ機能を使用して光信号を読み出す手法と、光電変換部の信号蓄積の開始・終了を全画素一括して行うグローバルシャッタ機能を使用して光信号を読み出す手法の２つの読み出し手法がある。それらの手法には、それぞれ一長一短があり、それを改善するために撮影条件により読み出し機能を切り換える撮像装置が、例えば特開２０００−３２０１４１号公報において提案されている。

図12は、従来の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。この構成例では、少なくとも、光を受光し信号を出力する画素アレイ１と、画素アレイ１を制御する垂直走査回路２と、画素から出力される信号を処理し、保持するノイズ抑圧回路４と、水平走査回路５により構成されている。なお、図12において、６は出力信号線に接続された出力アンプである。図13は、従来の固体撮像装置の具体的な構成を示す回路構成図であり、図14は、ローリングシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。また、図15は、グローバルシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。図16は、グローバルシャッタ機能時の光信号蓄積タイミングを説明するためのタイミングチャートである。また、図17は、ローリングシャッタ機能時の光信号蓄積タイミングを説明するためのタイミング図である。

まず、図13を用いて従来の固体撮像装置の具体的な構成について説明する。まず画素の構成をＰＩＸ11を例に説明する。ＰＩＸ11内には、光電変換部ＰＤ11と、光電変換部ＰＤ11で発生した信号を蓄積するメモリ（ＦＤ）Ｃ11と光電変換部ＰＤ11からメモリＣ11への転送を制御する転送スイッチＭＴ11とメモリＣ11をリセットするリセットスイッチＭＲ11と、メモリＣ11の信号を増幅する増幅部ＭＡ11と、画素を選択する選択スイッチＭＳ11とが設けてあり、図13に示すように接続されており、複数の画素が2 次元に配置されて画素アレイを構成している。

また、転送スイッチＭＴ11は、転送制御信号φＴＲ１にて制御される。リセットスイッチＭＲ11は、リセット制御信号φＲＳ１にて制御される。選択スイッチＭＳ11は選択制御信号φＳＥＬ１によって制御され、選択された画素行の信号はノイズ抑圧回路４へ出力する。ノイズ抑圧回路４では、画素のリセットバラツキを除去した値を保持する。その後ノイズ抑圧回路４に保持された信号は、水平走査回路５によって読み出され、出力信号線と出力アンプ６を介して出力される。なお、図13において、７は画素電源、Ｉ41（Ｉ42，Ｉ43）は垂直信号線に接続されているバイアス用電流源である。

このように構成されている固体撮像素装置においてローリングシャッタ機能を使用したときの光信号の蓄積タイミングについて、図17に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず初めに、転送制御信号φＴＲ１とリセット制御信号φＲＳ１をハイレベルとすることで、両制御信号φＴＲ１，φＲＳ１で制御される行（１行目）の画素の光電変換部ＰＤをリセットし、転送制御信号φＴＲ１とリセット制御信号φＲＳ１をロウレベルとすることで光信号の蓄積を開始する。その後、転送制御信号φＴＲ２とリセット制御信号φＲＳ２をハイレベルとすることで、両制御信号φＴＲ２，φＲＳ２にて制御される行（２行目）の光電変換部ＰＤのリセットを行い、転送制御信号φＴＲ２とリセット制御信号φＲＳ２をロウレベルとすることで光信号の蓄積を開始する。

同様に、３行目以降の各行の転送制御信号とリセット制御信号を駆動することで各行の光電変換部ＰＤが光信号の蓄積を開始する。光信号の蓄積を開始して所定の時間がたったのち、選択制御信号により制御される行の画素信号の出力を行う。まず、選択制御信号φＳＥＬ１をハイレベルとし、行（１行目）の選択を行う。次に、リセット制御信号φＲＳ１をハイレベルとしてメモリ（ＦＤ）のリセットを行い、ロウレベルとすることでメモリ（ＦＤ）のリセットを終了する。このとき、画素からは、リセット信号が出力される。その後、転送制御信号φＴＲ１をハイレベルとし、光電変換部ＰＤに蓄積された光信号をメモリ（ＦＤ）へ転送し、転送制御信号φＴＲ１をロウレベルとすることで、転送を終了する。このとき、画素からは、光信号が出力される。最後に選択制御信号φＳＥＬ１をロウレベルとすることで、選択された第１行目の画素信号読み出しを終了する。

次に、選択制御信号φＳＥＬ２にて選択される行（２行目）の読み出しを行う。この動作については、第１行目の動作と同じなので説明は省略する。以上の動作では、各行により光信号の蓄積開始時間と終了時間が異なる。

次に、グローバルシャッタ機能を使用したときの光信号の蓄積タイミングについて図16に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず初めに、全ての行の転送制御信号φＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，・・・、及び全ての行のリセット制御信号φＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３，・・・を同時にハイレベルとすることで、全画素の光電変換部ＰＤを一括してリセットを行い、その後転送制御信号及びリセット制御信号をロウレベルにすることで、光信号の蓄積を開始する。所定の時間が経った後、全ての行の転送制御信号φＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，・・・をハイレベルとすることで、光電変換部ＰＤに蓄積された光信号を全画素一括してメモリ（ＦＤ）へ転送し、光信号の蓄積を終了する。

次に、選択制御信号により選択された行の画素信号出力を行う。まず選択制御信号φＳＥＬ１をハイレベルとし第１行目の画素の選択を行い、光信号の出力を行う。次に、リセット制御信号φＲＳ１をハイレベルとすることでメモリ（ＦＤ）のリセットを行い、ロウレベルとすることでメモリ（ＦＤ）のリセットを終了する。このとき画素からは、リセット信号が出力される。最後に、選択制御信号φＳＥＬ１をロウレベルとすることで、第１行目の画素信号出力を終了する。その後、選択制御信号φＳＥＬ２にて選択される行（２行目）の画素信号出力を開始する。以下同様にして、３行目以降の画素信号の出力を行う。以上の動作では、各行の光信号蓄積開始時間と終了時間は同じとなる。

次に、ローリングシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路の動作を、図14に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず画素の動作について説明する。選択制御信号φＳＥＬ１をハイレベルとすることで画素信号を読み出す行（１行目）の選択を行う。光電変換部ＰＤからの光信号の読み出しに先立ってリセット制御信号φＲＳ１をハイレベルとしメモリ（ＦＤ）のリセットを行い、リセット制御信号φＲＳ１をロウレベルとすることでメモリ（ＦＤ）のリセットを終了し、画素のリセット信号Ｖr をノイズ抑圧回路４へ出力する。次に、転送制御信号φＴＲ１をハイレベルとし、光電変換部ＰＤで蓄積された信号をメモリ（ＦＤ）へ転送し、リセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）を画素からノイズ抑圧回路４へ出力する。最後に、選択制御信号φＳＥＬ１をロウレベルとすることで画素信号の読み出しを終了する。

次に、画素から出力された信号を処理するノイズ抑圧回路４の動作を、画素ＰＩＸ11の画素信号に注目して説明する。サンプルホールド制御信号φＳＨとクランプ制御信号φＣＬをハイレベルとし、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２をクランプ電圧（Ｖref)８でクランプする。このとき画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力され、リセット信号Ｖr をクランプ容量ＣＣＬ１でサンプリングする。クランプ制御信号φＣＬをロウレベルとすることで、リセット信号Ｖr のサンプリングを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）が、ノイズ抑圧回路４へ入力される。そのときノイズ抑圧回路４のノードＮ２は、先のサンプリングされたリセット信号Ｖr と画素から入力された（Ｖr ＋Ｖs ）信号との差分信号Ｖs を、クランプ容量ＣＣＬ１とサンプリング容量ＣＳＨ１とで決まるゲインＧ倍した電圧ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることで、ノードＮ２の電圧ＧＶs を保持する。なお、ゲインＧは、次式で表される。
Ｇ＝ＣＣＬ１／（ＣＣＬ１＋ＣＳＨ１）
以上の動作を行うことで、光電変換部ＰＤで蓄積された光信号を増幅した信号ＧＶs を出力することが可能となる。

次に、グローバルシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路４の動作を、図15に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず画素の動作について説明する。転送制御信号φＴＲ１をハイレベルとすることで、光電変換部ＰＤに蓄積された信号をメモリ（ＦＤ）へ転送する。このときメモリ（ＦＤ）では、リセット信号と光信号が重畳された信号を保持する。

次に、選択制御信号φＳＥＬ１をハイレベルとすることで、画素信号を読み出す行（１行目）の選択を行い、リセット信号Ｖr と光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）を画素から出力する。その後、リセット制御信号φＲＳ１をハイレベルとしメモリ（ＦＤ）のリセットを行い、リセット制御信号φＲＳ１をロウレベルとすることで、メモリ（ＦＤ）のリセットを終了し、画素のリセット信号Ｖr をノイズ抑圧回路４へ出力する。最後に選択制御信号φＳＥＬ１をロウレベルとすることで、画素信号の読み出しを終了する。

次に、画素から出力された信号を処理するノイズ抑圧回路４の動作を説明する。サンプルホールド制御信号φＳＨとクランプ制御信号φＣＬをハイレベルとし、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２がクランプ電圧（Ｖref)８でクランプされる。このとき画素からリセット信号Ｖr と光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）がノイズ抑圧回路４へ入力され、（Ｖr ＋Ｖs ）をクランプ容量ＣＣＬ１でサンプリングする。クランプ制御信号φＣＬをロウレベルとすることで、サンプリングを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力される。そのとき、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２は、先のサンプリングされた信号（Ｖr ＋Ｖs ）と画素から入力されたリセット信号Ｖr との差分である信号−Ｖs を、クランプ容量ＣＣＬ１とサンプリング容量ＣＳＨ１とで決まるゲインＧ倍した電圧−ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることで、ノードＮ２の電圧−ＧＶs を保持する。以上の動作を行うことで、光電変換部ＰＤで蓄積された光信号を増幅した信号−ＧＶs を出力することが可能となる。上記の動作を行うことで光信号を読み出すことが可能である。
特開２００２−３２０１４１号公報

しかし、上記従来例のノイズ抑圧回路の出力は、ローリングシャッタ動作時の出力ＧＶs とグローバルシャッタ動作時の出力−ＧＶs とで極性が反転する。このため、ノイズ抑圧回路の出力ダイナミックレンジが増大することにより、回路が大型化し、消費電力が増大する。本発明は、従来の固体撮像装置における上記課題を解決するためになされたものであり、読み出し動作を切り換えた場合でもノイズ抑圧回路の出力の極性を統一し、回路の小型化及び低消費電力化を図った固体撮像装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光電変換を行う光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号を一時的に記憶しておくための蓄積部と、前記光電変換部の信号を前記蓄積部へ転送する転送手段と、前記蓄積部をリセットするリセット手段と、前記蓄積部の電位を増幅して出力する増幅手段と、前記増幅手段を選択する選択手段とを有する画素を２次元に複数配置されてなる画素部と、画素に起因する特性の異なる第１の信号と第２の信号との差分の極性を切り換える切り換え部を有し、画素毎のリセット時の信号のばらつきを抑圧するノイズ抑圧回路と、前記蓄積部をリセットした後、第１の信号としてリセット信号を前記画素から出力させ、その後前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送し、第２の信号として出力させる第１の読み出しモードと、前記蓄積部をリセットし、その後、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送し、第１の信号として前記画素から出力させた後、前記蓄積部のリセットを行い、第２の信号としてリセット信号を前記画素から出力する第２の読み出しモードとを設定するモード設定部とを有し、前記切り換え部は、前記モード設定部で設定されたモードに応じて極性の切り換えを実行し、前記第２の読み出しモードが設定されたときには、前記転送手段は、前記光電変換部で発生した信号を全画素一括して蓄積部に転送するよう制御され、前記ノイズ抑圧回路は、前記画素に接続されたクランプ容量と該クランプ容量に接続されたサンプリング容量を有し、第１の期間に前記第１の信号を前記クランプ容量にサンプリングし、第２の期間に前記第２の信号と前記第１の信号の差を所定のゲイン倍した差分信号を前記サンプリング容量に発生させ、前記切り換え部は、前記第１の読み出しモード及び前記第２の読み出しモードのいずれか一方において、前記第２の期間に前記サンプリング容量に前記差分信号が出力されるように接続し、前記第１の読み出しモード及び前記第２の読み出しモードのいずれか他方において、前記第２の期間の後に、前記サンプリング容量に保持されている前記差分信号の極性を逆にして読み出すように固体撮像装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧回路のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を更に備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ノイズ抑圧回路は画素に起因する特性の異なる第１及び第２の信号の差分の極性を切り換える切り換え部を有しているので、読み出しモードを切り換えた場合でも、ノイズ抑圧回路の出力の極性を統一することができ、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図で、図12に示した従来例と対応する部分には同一符号を付して示している。この実施例１に係る固体撮像装置は、少なくとも、光を受光し信号を出力する画素アレイ１と、画素アレイ１を制御する垂直走査回路２と、モード設定部３と、モード設定部３により選択されるモードにより極性の制御を行い、画素から出力される信号を処理し、保持するノイズ抑圧回路４と、水平走査回路５により構成される。なお、６は出力アンプであり、上記モード設定部３は垂直走査回路２の切り換え制御も行うようになっている。

図２は、実施例１に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧回路４の構成を示す回路図である。このノイズ抑圧回路４は、画素アレイ１の第１列目の出力Ｖ１に対して、クランプ容量ＣＣＬ１とサンプリング容量ＣＳＨ１と、サンプルホールドスイッチＭ11と、クランプスイッチＭ21，Ｍ31と、駆動スイッチＭ41，Ｍ51と、水平選択スイッチＭ６と、増幅器Ａ１とが設けられており、図２に示すように接続されている。そして、画素アレイ１の他の列からの出力Ｖ２，Ｖ３に対しても同様の回路が接続されている。また、サンプルホールドスイッチＭ11はサンプルホールド制御信号φＳＨで制御され、クランプスイッチＭ21はクランプ制御信号φＣＬ１で、クランプスイッチＭ31はクランプ制御信号φＣＬ２で制御される。また駆動スイッチＭ41は駆動制御信号φＳＬ１で、駆動スイッチＭ51は駆動制御信号φＳＬ２で制御されるようになっている。

次に、このような構成のノイズ抑圧回路を備えた実施例１に係る固体撮像装置のローリングシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を、図３に示すタイミングチャートを用いて説明する。画素の読み出し動作については、従来例と同じなので、その説明は省略し、ノイズ抑圧回路４の動作を画素アレイ１の１列目の出力Ｖ１に注目して説明する。まずクランプ制御信号φＣＬ２と駆動制御信号φＳＬ１はハイレベルに、駆動制御信号φＳＬ２は、ロウレベルに設定される。次に、サンプルホールド制御信号φＳＨとクランプ制御信号φＣＬ１をハイレベルとし、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２，Ｎ３がクランプ電圧（Ｖref)８でクランプされる。このとき、画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力され、リセット信号Ｖr をクランプ容量ＣＣＬ１でサンプリングを行う。クランプ制御信号φＣＬ１をロウレベルとすることで、リセット信号Ｖr のサンプリングを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）がノイズ抑圧回路４へ入力される。そのとき、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２は、先のサンプリングされたリセット信号Ｖr と画素から入力された（Ｖr ＋Ｖs ）信号との差分である信号Ｖs を、クランプ容量ＣＣＬ１とサンプリング容量ＣＳＨ１とで決まるゲインＧ倍した電圧ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることで、ノードＮ２の電圧ＧＶs を保持する。よって、ノードＮ４は、ノードＮ２と同じ電圧ＧＶs を出力することが可能となる。以上の動作を行うことで、光電変換部ＰＤで蓄積された光信号を増幅した信号ＧＶs を出力することが可能となる。

次に、グローバルシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を、図４に示すタイミングチャートを用いて説明する。画素の読み出し動作については、従来例と同じなので説明は省略し、ノイズ抑圧回路４の動作について説明する。まず駆動制御信号φＳＬ２はハイレベルに、駆動制御信号φＳＬ１は、ロウレベルに設定される。

次に、サンプルホールド制御信号φＳＨとクランプ制御信号φＣＬ１，φＣＬ２をハイレベルとし、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２，Ｎ３がクランプ電圧８でクランプされる。このとき、画素からはリセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）がノイズ抑圧回路４へ入力され、信号（Ｖr ＋Ｖs ）をクランプ容量ＣＣＬ１でサンプリングする。クランプ制御信号φＣＬ１をロウレベルとすることで、信号（Ｖr ＋Ｖs ）のサンプリングを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力され, ノイズ抑圧回路４のノードＮ２は、先のサンプリングされた信号（Ｖr ＋Ｖs ）と画素から入力された信号Ｖr との差分である信号−Ｖs を、クランプ容量ＣＣＬ１とサンプリング容量ＣＳＨ１とで決まるゲインＧ倍した電圧−ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることでサンプリングを終了する。そして、クランプ制御信号φＣＬ２をロウレベルに、φＣＬ１をハイレベルにする。ノードＮ２がクランプ電圧８となり、ノードＮ３の電圧は、ノードＮ２の電圧変動分ＧＶs を保持する。よって、ノードＮ４の電圧は、ノードＮ２と同じＧＶs となる。

以上の動作を行うことで、モード設定部３によりローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能の動作を切り換えた場合でも、ノイズ抑圧回路４の出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。また、画素アレイがグローバルシャッタ動作時に、ノイズ抑圧回路４を上記ローリングシャッタ駆動とし、画素アレイがローリングシャッタ動作時にノイズ抑圧回路４を上記グローバルシャッタ駆動とすることも可能である。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。図５は、実施例２に係る固体撮像装置のノイズ抑圧回路４の構成を示す回路図である。この実施例に係るノイズ抑圧回路４は、画素アレイ１の第１列目の出力Ｖ１に対して、クランプ容量ＣＣＬ１，ＣＣＲ１と、帰還容量ＣＲＡ１と、サンプリング容量ＣＳＨ１と、サンプルホールドスイッチＭ11と、クランプスイッチＭ21，Ｍ31，Ｍ71と、駆動スイッチＭ41，Ｍ51と、帰還スイッチＭ81と、帰還増幅器Ａ１と、水平選択スイッチＭ61とが設けられており、図５に示すように接続されている。画素アレイの他の列からの出力Ｖ２，Ｖ３に対しても同様の回路が接続されている。

また、サンプルホールドスイッチＭ11はサンプルホールド制御信号φＳＨで制御され、クランプスイッチＭ21はクランプ制御信号φＣＬ１で、クランプスイッチＭ31はクランプ制御信号φＣＬ２で, クランプスイッチＭ71はクランプ制御信号φＣＬ３で制御される。駆動スイッチＭ41は駆動制御信号φＳＬ１で、駆動スイッチＭ51は駆動制御信号φＳＬ２で制御される。帰還スイッチＭ81は帰還制御信号φＲＡで制御されるようになっている。

次に、このような構成のノイズ抑圧回路を備えた実施例２に係る固体撮像装置のローリングシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を図６に示すタイミングチャートを用いて説明する。画素の読み出し動作については、従来例と同じなので、その説明は省略し、ノイズ抑圧回路４の動作について説明する。まずクランプ制御信号φＣＬ２と駆動制御信号φＳＬ１はハイレベル、クランプ制御信号φＣＬ１と駆動制御信号φＳＬ２は、ロウレベルに設定され、ノードＮ３は、クランプ電圧（Ｖref)８に設定される。

次に、サンプルホールド制御信号φＳＨとクランプ制御信号φＣＬ３をハイレベルとし、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２がクランプ電圧８でクランプされ、帰還制御信号φＲＡをハイレベルとすることで帰還容量ＣＲＡ１をリセットする。このとき画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力され、リセット信号Ｖr をクランプ容量ＣＣＬ１でサンプリングする。クランプ制御信号φＣＬ１をロウレベルとすることで、リセット信号Ｖr のサンプリングを終了し、帰還制御信号φＲＡをロウレベルとすることで、帰還容量ＣＲＡ１のリセットを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）がノイズ抑圧回路４へ入力される。そのとき、ノイズ抑圧回路４のノードＮ２は、先のサンプリングされたリセット信号Ｖr と画素から入力された（Ｖr ＋Ｖs ）信号との差分である信号Ｖs となる。また、帰還増幅器Ａ１の出力であるノードＮ４は、ノードＮ２の信号Ｖs をクランプ容量ＣＣＲ１と帰還容量ＣＲＡ１とで決まるゲインＧ倍した電圧ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることで、出力電圧ＧＶs を保持する。

以上の動作を行うことで、光電変換部ＰＤで蓄積された光信号を増幅した信号ＧＶs を出力することが可能となる。なお、ゲインＧは、次式で表される。
Ｇ＝ＣＲＡ１／ＣＣＲ１

次に、グローバルシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を、図７に示すタイミングチャートを用いて説明する。画素の読み出し動作については、従来例と同じなので説明は省略し、ノイズ抑圧回路４の動作について説明する。クランプ制御信号φＣＬ１，φＣＬ３と駆動制御信号φＳＬ２はハイレベルに設定され、クランプ制御信号φＣＬ２と駆動制御信号φＳＬ１はロウレベルに設定され、ノードＮ１，Ｎ２はクランプ電圧（Ｖref)８に設定され、画素の出力はノードＮ３に入力されるようになっている。

次に、サンプルホールド制御信号φＳＨと帰還制御信号φＲＡをハイレベルとし、帰還容量ＣＲＡ１のリセットを行う。このとき、画素からリセット信号Ｖr に光信号Ｖs が重畳された信号（Ｖr ＋Ｖs ）がノイズ抑圧回路４へ入力され、信号（Ｖr ＋Ｖs ）をクランプ容量ＣＣＲ１でサンプリングする。帰還制御信号φＲＡをロウレベルとすることで、帰還容量ＣＲＡ１のリセット、及び信号（Ｖr ＋Ｖs ）のサンプリングを終了する。

その後、画素からリセット信号Ｖr がノイズ抑圧回路４へ入力される。そのとき、帰還増幅器Ａ１の出力であるノードＮ４は、先のサンプリングされた信号（Ｖr ＋Ｖs ）とリセット信号Ｖr との差分である−Ｖs を、クランプ容量ＣＣＲ１と帰還容量ＣＲＡ１とで決まるゲイン−Ｇ倍した電圧ＧＶs となる。その後、サンプルホールド制御信号φＳＨをロウレベルとすることで、出力電圧ＧＶs を保持する。よって、光電変換部ＰＤで蓄積された光信号を増幅した信号ＧＶs を出力することが可能となる。

上記の回路構成及び上記動作を行うことで、モード設定部３によりローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能とを切り換えた場合でも、ノイズ抑圧回路４の出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。また、画素アレイがグローバルシャッタ動作時に、ノイズ抑圧回路４を上記ローリングシャッタ駆動とし、画素アレイがローリングシャッタ動作時に、ノイズ抑圧回路４を上記グローバルシャッタ駆動とすることも可能である。

（実施例３）
次に、実施例３について説明する。図８は、実施例３に係る固体撮像装置の画素構成を詳細に示す回路構成図である。この実施例に係る画素は、選択スイッチＭＳ11，12，21，22と増幅部ＭＡ11，12，21，22の接続構成が、実施例１及び２における画素構成と異なっている。なお、その他の回路構成及び動作については、実施例１，２と同じなので説明は省略する。上記の回路構成とすることでローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能とを切り換えた場合でも、ノイズ抑圧回路の出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化図ることができる。

（実施例４）
次に、実施例４について説明する。図９は、実施例４に係る固体撮像装置の画素構成を詳細に示す回路構成図である。この実施例は、画素構成が異なるのみで、他の構成は実施例１又は２と同じである。この実施例の画素構成をＰＩＸ11を例に説明する。ＰＩＸ11内には、光電変換部ＰＤ11と、光電変換部ＰＤ11で発生した信号を蓄積するメモリ（ＦＤ）Ｃ11と、光電変換部ＰＤ11からメモリＣ11への転送を制御する転送スイッチＭＴ11と、メモリＣ11をリセットするリセットスイッチＭＲ11と、メモリＣ11の信号を増幅する増幅部ＭＡ11と、画素を選択する選択スイッチＭＳ11と、光電変換部ＰＤで発生した信号を排出する排出スイッチＭＥ11とが設けられており、図９に示すように接続されていて、２次元に配置されている。

また、転送スイッチＭＴ11は転送制御信号φＴＸ１にて制御され、リセットスイッチＭＲ11はリセット制御信号φＲＳＴ１にて制御され、排出スイッチＭＥ11は排出制御信号φＲＳＰ１で制御される。選択スイッチＭＳ11は選択制御信号φＳＥＬ１によって制御され、選択された行（１行目）の信号はノイズ抑圧回路４へ出力される。ノイズ抑圧回路４では、画素のリセットバラツキを除去した値を保持する。その後ノイズ抑圧回路４に保持された信号は、水平走査回路５によって読み出される。

上記画素構成の画素アレイを用いた場合においても、実施例１及び２に示したと同様にモード設定でローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能とを切り換え設定することにより、ノイズ抑圧回路の出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。なお、この実施例の画素構成とした場合、グローバルシャッタ駆動時の蓄積時間をフレキシブルに設定できる。

（実施例５）
次に、実施例５について説明する。図10は、実施例５に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。この実施例は、実施例１，２に係る固体撮像装置において、ノイズ抑圧回路４の各列の出力にそれぞれアナログデジタル変換器（ＡＤ）10が配置された構成となっている。画素アレイ１及びノイズ抑圧回路４の構成は、実施例１，２と同じなので説明は省略する。また、画素動作及びノイズ抑圧回路４の駆動も実施例１，２と同じなので説明は省略する。

このような構成とすることで、モード設定部３によりローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能とを切り換えた場合でも、ＡＤ変換器10を介して出力されるデジタル出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。

（実施例６）
次に、実施例６について説明する。図11は、実施例６に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。この実施例は、実施例１，２に係る固体撮像装置において、ノイズ抑圧回路４の各列の出力が単一のアナログデジタル変換器11に接続されている構成となっている。画素構成及びノイズ抑圧回路４の構成は、実施例１，２と同じなので説明は省略する。また、画素動作及びノイズ抑圧回路４の駆動も実施例１，２と同じなので説明は省略する。

このような構成とすることで、モード設定部３によりローリングシャッタ機能とグローバルシャッタ機能とを切り換えた場合でも、単一のＡＤ変換器11を介して出力されるデジタル出力信号の極性が統一され、回路の小型化及び低消費電力化を図ることができる。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の概略構成を示すブロック図である。 図１に示した実施例１におけるノイズ抑圧回路の構成を示す回路図である。 実施例１におけるローリングシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例１におけるグローバルシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例２に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧回路の構成を示す回路図である。 実施例２におけるローリングシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例２におけるグローバルシャッタ機能を使用して光信号を読み出す動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例３に係る固体撮像装置における画素構成を示す回路図である。 実施例４に係る固体撮像装置における画素構成を示す回路図である。 実施例５に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 実施例６に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 図12に示した従来例における画素アレイとノイズ抑圧回路の構成を示す回路図である。 図13に示した従来例においてローリングシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図13に示した従来例においてグローバルシャッタ機能を使用したときのノイズ抑圧回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図13に示した従来例においてグローバルシャッタ機能を使用したときの光信号の蓄積タイミングを説明するためのタイミングチャートである。 図13に示した従来例においてローリングシャッタ機能を使用したときの光信号の蓄積タイミングを説明するためのタイミングチャートである。

１ 画素アレイ
２ 垂直走査回路
３ モード設定部
４ ノイズ抑圧回路
５ 水平走査回路
６ 出力アンプ
７ 画素電源
８ クランプ電圧
10，11 ＡＤ変換器

Claims (2)

1. 光電変換を行う光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号を一時的に記憶しておくための蓄積部と、前記光電変換部の信号を前記蓄積部へ転送する転送手段と、前記蓄積部をリセットするリセット手段と、前記蓄積部の電位を増幅して出力する増幅手段と、前記増幅手段を選択する選択手段とを有する画素を２次元に複数配置されてなる画素部と、
   画素に起因する特性の異なる第１の信号と第２の信号との差分の極性を切り換える切り換え部を有し、画素毎のリセット時の信号のばらつきを抑圧するノイズ抑圧回路と、
   前記蓄積部をリセットした後、第１の信号としてリセット信号を前記画素から出力させ、その後前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送し、第２の信号として出力させる第１の読み出しモードと、前記蓄積部をリセットし、その後、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送し、第１の信号として前記画素から出力させた後、前記蓄積部のリセットを行い、第２の信号としてリセット信号を前記画素から出力する第２の読み出しモードとを設定するモード設定部とを有し、
   前記切り換え部は、前記モード設定部で設定されたモードに応じて極性の切り換えを実行し、
   前記第２の読み出しモードが設定されたときには、前記転送手段は、前記光電変換部で発生した信号を全画素一括して蓄積部に転送するよう制御され、
   前記ノイズ抑圧回路は、前記画素に接続されたクランプ容量と該クランプ容量に接続されたサンプリング容量を有し、第１の期間に前記第１の信号を前記クランプ容量にサンプリングし、第２の期間に前記第２の信号と前記第１の信号の差を所定のゲイン倍した差分信号を前記サンプリング容量に発生させ、
   前記切り換え部は、前記第１の読み出しモード及び前記第２の読み出しモードのいずれか一方において、前記第２の期間に前記サンプリング容量に前記差分信号が出力されるように接続し、前記第１の読み出しモード及び前記第２の読み出しモードのいずれか他方において、前記第２の期間の後に、前記サンプリング容量に保持されている前記差分信号の極性を逆にして読み出す、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ノイズ抑圧回路のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を更に備えることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。

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