JP4890955B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

カメラ等の撮像装置に用いる固体撮像装置が開示されている（特許文献１参照）。図１１を用いて従来技術の固体撮像装置の構成を説明する。図１１の固体撮像装置は、画素部Ｂ１と、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路部Ｂ２と、Ｓ／Ｈ（Ｓａｍｐｌｅ Ｈｏｌｄ）回路部Ｂ３とから構成されている。

画素部Ｂ１は、光を受光して光電流を生成するためのフォトダイオード１のアノードを演算増幅器５の非反転入力端子に、カソードを反転入力端子にそれぞれ接続し、演算増幅器５の非反転入力端子は基準電圧源２に接続する。演算増幅器５の反転入力端子と出力端子との間に光電流を蓄積するための積分コンデンサ４と積分時間を制御するためのスイッチング手段３を並列に接続する。

ＣＤＳ回路部Ｂ２は、容量素子６の一端を画素部Ｂ１内の演算増幅器５の出力端子に、他端を演算増幅器９の反転入力端子にそれぞれ接続し、演算増幅器９の非反転入力端子を基準電圧源７に接続する。容量素子８の一端を演算増幅器９の反転入力端子に、他端をスイッチング手段１２の一端と、スイッチング手段１４の一端とに接続する。スイッチング手段１２の他端を基準電圧源１３に接続し、スイッチング手段１４の他端を演算増幅器９の出力端子に接続する。スイッチング手段１１の一端を容量素子８の一端と演算増幅器９の反転入力端子と容量素子６との接続点に、他端を演算増幅器９の出力端子に接続する。

Ｓ／Ｈ回路部Ｂ３は、スイッチング手段１５の一端をＣＤＳ回路部Ｂ２内の演算増幅器９の出力端子に、他端を演算増幅器１７の非反転入力端子にそれぞれ接続し、サンプルホールド用の容量素子１６の一端を演算増幅器１７の非反転入力端子に、他端を接地する。演算増幅器１７の反転入力端子と出力端子とを接続し、演算増幅器１７の出力端子には信号出力端子１８を接続する。

図１２は、図１１の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートのスイッチング手段のチャート上では、Ｈｉｇｈの区間で各スイッチング手段を導通状態にし、Ｌｏｗレベルで非導通状態にする。図１２で、ΦＲはスイッチング手段３のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＲＣはスイッチング手段１１、１２のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＴはスイッチング手段１４のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＳＨはスイッチング手段１５のスイッチ制御タイミングを示す。電圧Ｖ１は演算増幅器５の出力端子の電圧を示し、電圧Ｖ２は演算増幅器９の出力端子の電圧を示し、電圧Ｖｏｕｔは信号出力端子１８の電圧を示す。また、時間軸方向には期間Ｔ１〜Ｔ４の４つの期間に区分されている。

期間Ｔ１はリセット期間であり、ΦＲ、ΦＲＣ、ΦＳＨはＨｉｇｈ状態に設定し、ΦＴはＬｏｗ状態に設定する。期間Ｔ１では、電圧Ｖ１は基準電圧源２の電圧Ｖｒ１になり、電圧Ｖ２は基準電圧源７の電圧Ｖｒ２になり、電圧ＶｏｕｔはＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖｒ２に等しくなる。

期間Ｔ２では、ΦＲＣ、ΦＳＨはＨｉｇｈ状態に設定し、ΦＲ、ΦＴはＬｏｗ状態に設定する。フォトダイオード１で発生した光電流を容量素子４に蓄積する。この時、ΦＲＣをＨｉｇｈ状態に設定し始めた時間からの経過期間をＴ_{ＩＮＴＧＷ}とすると、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は下式（１）で示される。
Ｖ１ ＝ Ｖｒ１＋（Ｉｐｄ×Ｔ_{ＩＮＴＧＷ}）／Ｃ_０ … （１）
ここで、容量素子４の容量値をＣ_０、フォトダイオード１で発生した光電流量をＩｐｄ、基準電圧源２の電圧をＶｒ１とした。

しかし、実際にはスイッチング手段３のスイッチ動作に起因するクロックフィールドスルーが画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１に重畳される。結果として電圧Ｖ１は式（２）のようになる。
Ｖ１ ＝ Ｖｒ１＋（Ｉｐｄ×Ｔ_{ＩＮＴＧＷ}）／Ｃ_０＋Ｖｎ … （２）
ここで、クロックフィールドスルー分の電圧変化をＶｎとした。

期間Ｔ３では、ΦＴ、ΦＳＨはＨｉｇｈ状態に設定し、ΦＲ、ΦＲＣはＬｏｗ状態に設定する。このとき、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は下式（３）で表す事ができる。
Ｖ１ ＝ Ｖｒ１＋（Ｉｐｄ×Ｔ_ＩＮＴＧ）／Ｃ_０＋Ｖｎ … （３）
ここで、ΦＲ、ΦＲＣをＬｏｗ状態に設定し始めた時間からの経過期間をＴ_ＩＮＴＧとした。

この期間で、スイッチング手段１４、１５が導通状態、スイッチング手段１１、１２が非導通状態になり、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は一旦、基準電圧源１３の電圧Ｖｒ３になる。その後、演算増幅器９、容量素子６、８により電荷増幅回路が構成されているためＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は下式（４）で表す事ができる。
Ｖ２ ＝ Ｖｒ３−（Ｃ１／Ｃ２）×（Ｉｐｄ×Ｔ_ＩＮＴＧ）／Ｃ_０ … （４）
ここで、容量素子６の容量値をＣ１、容量素子８の容量値をＣ２とした。

この期間、スイッチング手段１５が導通状態となり演算増幅器１７はボルテージフォロワ回路を構成し、信号出力端子１８の電圧ＶｏｕｔはＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と同じ電圧になる。よって、信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは下式（５）のようになる。
Ｖｏｕｔ ＝ Ｖｒ３−（Ｃ１／Ｃ２）×（Ｉｐｄ×Ｔ_ＩＮＴＧ）／Ｃ_０ … （５）
この期間の動作により、スイッチング手段３のスイッチ動作に起因するクロックフィードスルー電圧Ｖｎを除去する事ができる。

期間Ｔ４では、ΦＲ、ΦＲＣはＨｉｇｈ状態に設定し、ΦＴ、ΦＳＨはＬｏｗ状態に設定する。スイッチング手段１５が非導通状態となり、信号出力端子１８に式（５）で示した電圧が保持される。ＣＤＳ回路部Ｂ２の容量素子の容量比で増幅して信号を読み出す事が出来る。また、ＣＤＳ回路部Ｂ２の相関二重読出しにより画素部Ｂ１の容量素子４に接続されたスイッチング手段３のスイッチ動作に起因するリセットノイズを除去する事が出来る。
特開平０５−２０７２２０号公報

特許文献１に記載の固体撮像装置のスイッチング手段を電界効果トランジスタで構成する場合、電界効果トランジスタのチャネル抵抗が持つ熱雑音が原因で電界効果トランジスタに接続された容量素子との間にリセットノイズが発生する。つまり、ＣＤＳ回路部Ｂ２で画素部Ｂ１のリセットノイズは除去できるが、ＣＤＳ回路部Ｂ２自体が発生するリセットノイズは除去されない。図１１において、スイッチング手段１１、１２を電界効果トランジスタで構成したとする。期間Ｔ３で、スイッチング手段１１、１２を導通状態から非導通状態にする際にリセットノイズが発生する。

演算増幅器９の反転入力端子に発生するリセットノイズ電圧はスイッチング手段１１、１２のそれぞれのスイッチング手段のスイッチ動作に起因して発生するノイズの相乗平均になるため、下式（６）のようになる。
Ｖ_ｋＴＣ ＝ （２ｋＴ／Ｃ２）＾（１／２） … （６）
ここで、演算増幅器９の反転入力端子に発生するリセットノイズ電圧をＶ_ｋＴＣ、ボルツマン定数をｋ、絶対温度をＴとした。

ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２に重畳されるリセットノイズＶ２_ｋＴＣは、容量素子６、８、演算増幅器９によって電荷増幅器が構成されるため、下式（７）のようになる。
Ｖ２_ｋＴＣ ＝ （Ｃ１／Ｃ２）×（２ｋＴ／Ｃ２）＾（１／２） … （７）
容量比Ｃ１／Ｃ２は、画素部Ｂ１の出力端子電圧を増幅するために１より大きくする必要がある。そのため、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１に重畳されるリセットノイズも容量比Ｃ１／Ｃ２で増幅される。出力電圧を増幅するための増幅率Ｃ１／Ｃ２を減少せずにＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２に重畳されるリセットノイズを小さくするためには、容量値Ｃ１、Ｃ２を大きくしなければならない。しかし、リセットノイズを抑制するために容量値Ｃ１、Ｃ２を大きくするとチップ面積が増大する。

本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、チップ面積の増大を最小限に抑えて、ノイズを低減することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、光電変換素子、及び前記光電変換素子からの信号電荷を増幅する増幅器を有する画素部と、 前記画素部の出力に一端を接続した第１の容量素子、反転入力端子を該第１の容量素子の他端に、非反転入力端子を第１の基準電圧源に接続した第１の演算増幅器、一端を該第１の容量素子の他端に接続した第２の容量素子、一端を該第２の容量素子の他端に、他端を該第１の演算増幅器の出力端子に接続した第１のスイッチング手段、ドレインを該第２の容量素子の他端に、ソースを第２の基準電圧源に接続した第１の電界効果トランジスタ、ドレインを該第２の容量素子の一端に、ソースを第１の演算増幅器の出力端子に接続した第２の電界効果トランジスタ、及び、該第１の電界効果トランジスタ又は該第２の電界効果トランジスタの少なくとも一方のゲート端子に接続されて該第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を制御するオン抵抗制御回路を有するノイズ除去回路と、を有し、前記オン抵抗制御回路は、その出力端子を前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのゲートに接続した第２の演算増幅器、該第２の演算増幅器の非反転入力端子に接続したパルス電流源、及び、ドレインを該第２の演算増幅器の非反転入力端子に、ソースを第３の基準電圧源を介して該第２の演算増幅器の反転入力端子に接続すると共に、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのソースに接続し、ゲートを該第２の演算増幅器の出力端子に接続した、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタと同一サイズの第３の電界効果トランジスタを有する事を特徴とする固体撮像装置である。

上記発明に関する実施の形態については、第１の実施形態が対応する。このように、第１の電界効果トランジスタのオン抵抗を制御するオン抵抗制御回路を構成し、第１の電界効果トランジスタのオン抵抗と前記第２の容量素子とでローパスフィルタを形成して、固体撮像装置で発生されるランダムノイズを抑制することで固体撮像装置の出力信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。

また、請求項１の構成により、第１の電界効果トランジスタのオン抵抗をトランジスタの製造ばらつきに依存せずに、前記パルス電流源の電流値と該第２の基準電圧源の電圧値により決定する事ができる。

また、請求項２に記載の発明は、前記オン抵抗制御回路は、前記画素部に入力する光量に応じて、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置である。

上記発明に関する実施の形態については、第２の実施形態が対応する。請求項１記載の増幅回路の出力電圧の変化量に応じてオン抵抗制御回路により前記第１、第２のどちらか一方あるいは両方の電界効果トランジスタのオン抵抗を制御して前記第２の容量素子とで形成されるローパスフィルタのカットオフ周波数を固体撮像装置の信号帯域、ノイズ帯域に最適な値に調節することで出力信号のＳ／Ｎ比を高くする事ができる。

また、請求項３に記載の発明は、前記画素部の出力に接続され、前記画素部の出力の変化の大きさを検出する検出回路を更に有し、前記オン抵抗制御回路は、前記検出回路の検出結果に基づき、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置である。

上記発明に関する実施の形態については、第３の実施形態が対応する。請求項１記載の画素部の信号変化の大きさを検出して信号変化の大きさに応じてオン抵抗制御回路により前記第１、第２のどちらか一方あるいは両方の電界効果トランジスタのオン抵抗を制御して前記第２の容量素子とで形成されるローパスフィルタのカットオフ周波数を固体撮像装置の信号帯域とノイズ帯域に最適な値に調節することで、出力信号のＳ／Ｎ比を高くする事ができる。

本発明によれば、チップ面積の増大を最小限に抑えて、ノイズを低減することが可能な固体撮像装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図１の固体撮像装置は、画素部Ｂ１と、ＣＤＳ回路部Ｂ２と、Ｓ／Ｈ回路部Ｂ３とから構成されている。以下、従来技術と同一符号のブロックで機能が同一である場合は、適宜詳細な説明を省略する。

画素部Ｂ１及びＳ／Ｈ回路部Ｂ３の構成については従来技術と同様である。ＣＤＳ回路部Ｂ２は、容量素子６の一端を画素部Ｂ１内の演算増幅器５の出力端子に、他端を演算増幅器９の反転入力端子にそれぞれ接続し、演算増幅器９の非反転入力端子を基準電圧源７に接続する。容量素子８の一端を演算増幅器９の反転入力端子に、他端を電界効果トランジスタ１２のドレインとスイッチング手段１４の一端に接続し、スイッチング手段１４の他端を演算増幅器９の出力端子に接続し、電界効果トランジスタ１２のソースを基準電圧源１３に接続し、ゲートをオン抵抗制御回路１０に接続し、電界効果トランジスタ１１のドレインを容量素子８の一端と演算増幅器９の反転入力端子と容量素子６の他端との接続点に、ソースを演算増幅器９の出力端子に接続する。

次に可変抵抗回路を応用した本発明の実施形態の固体撮像装置で使用されるオン抵抗制御回路１０の構成について説明する。図２は本発明の実施形態でのオン抵抗制御回路１０の内部構成を示す構成図である。図２のオン抵抗制御回路１０は、パルス電流源２２の一端を電源電圧端子に、他端を演算増幅器１９の非反転入力端子にそれぞれ接続する。

ＣＤＳ回路部Ｂ２内の電界効果トランジスタ１２とトランジスタサイズが同一な電界効果トランジスタ２１のドレインをパルス電流源２２の他端に接続する。また、電界効果トランジスタ２１のソースをＣＤＳ回路部Ｂ２内の電界効果トランジスタ１２のソースに出力端子Ｃを介して接続すると共に基準電圧源２０を介して演算増幅器１９の反転入力端子に接続する。電界効果トランジスタ２１のゲートを演算増幅器１９の出力端子に接続する。また、演算増幅器１９の出力端子は、出力端子Ｂを介して電界効果トランジスタ１２のゲートに接続される。

次にオン抵抗制御回路１０の動作について説明する。パルス電流源２２は、入力端子Ａに入力される制御信号（Φｘ１、Φｘ２）に応じた電流値Ｉｘを生成するパルス電流源である。なお、制御信号（Φｘ１、Φｘ２）については後述する。これにより、電界効果トランジスタ２１のドレイン−ソース間に電流値Ｉｘのパルス電流源２２の電流が流れ、基準電圧源２０の電圧が与えられるように演算増幅器１９が電界効果トランジスタ２１のゲートを制御する。

従って、電界効果トランジスタ２１のドレイン−ソース間の抵抗値は、パルス電流源２２の電流値Ｉｘと基準電圧源２０の電圧値とで決まる値となる。電界効果トランジスタ２１とＣＤＳ回路部Ｂ２内の電界効果トランジスタ１２のトランジスタサイズを同一にして、それぞれのソースを共通にＣＤＳ回路部Ｂ２内の基準電圧源１３に接続することで電界効果トランジスタ２１のドレイン−ソース間の抵抗値はＣＤＳ回路部Ｂ２の内の電界効果トランジスタ１２と同じ抵抗値にする事が出来る。

本発明の実施形態では、電界効果トランジスタのドレイン−ソース間に現れる抵抗値をオン抵抗と記載する。電界効果トランジスタ１２のオン抵抗をＲｏｎ、パルス電流源２２の電流値をＩｘ、基準電圧源２０の電圧値をＶ_０とすると、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎは下式（８）であらわす事ができる。
Ｒｏｎ ＝ Ｖ_０／Ｉｘ … （８）
基準電圧源２０の電圧から一定の電圧Ｖ_０を供給した状態で、パルス電流源２２をオフとすると電流値が０となり、ＣＤＳ回路部Ｂ２の電界効果トランジスタ１２を非導通状態にすることができる。

電界効果トランジスタのオン抵抗は、半導体プロセスのデバイスパラメータとデバイス寸法に依存するため、製造ばらつきを持っている。図２のオン抵抗制御回路１０の構成により、製造ばらつきの影響を無くして電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎを設定する事が可能となる。この時、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎと容量値Ｃ２で形成されるローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは式（９）で表せる。
ｆｃ ∝ １／（２π×Ｃ２×Ｒｏｎ） … （９）
式（８）と式（９）とにより、カットオフ周波数ｆｃは次式（１０）で表す事ができる。
ｆｃ ∝ Ｉｘ／（２π×Ｃ２×Ｖ_０） … （１０）
よって、パルス電流源２２の電流値Ｉｘを制御することによりローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃを制御する事が可能である。ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃをパルス電流源２２の電流値Ｉｘにて制御することでノイズを抑圧する。

以下、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の駆動方法について説明する。図３は本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の動作内容を示すタイミングチャートである。図３で、ΦＲはスイッチング手段３のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＲＣ１は電界効果トランジスタ１１のスイッチ制御タイミングを示し、ＶＲＣ２は電界効果トランジスタ１２のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＴはスイッチング手段１４のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＳＨはスイッチング手段１５のスイッチ制御タイミングを示し、Φｘ１、Φｘ２はオン抵抗制御回路１０の端子Ａへの制御信号の入力タイミングを示す。

電圧Ｖ１は演算増幅器５の出力端子の電圧を示し、電圧Ｖ２は演算増幅器９の出力端子の電圧を示し、電圧Ｖｏｕｔは信号出力端子１８の電圧を示す。なお、ＶＲＣ２のＴ１、Ｔ２のタイミングに示すＩｏｎ、Ｉａは、各々、電界効果トランジスタ１２のドレイン−ソース間を導通状態とするときのパルス電流源２２電流値、電界効果トランジスタのオン抵抗を制御してノイズ抑制を行うときのパルス電流源２２の電流値を示しており、これらＩｏｎ、Ｉａの生成は、Φｘ１、Φｘ２により制御されるものである。なお、非導通状態の時の電流値は０である。

さて、期間Ｔ１では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦＳＨ、Φｘ２とをＨｉｇｈ、Φｘ１、ΦＴをＬｏｗとする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は基準電圧源２の電圧Ｖｒ１に、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に、信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。

次に、期間Ｔ２では、ΦＲＣ１とΦＳＨとΦｘ１とをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＴとΦｘ２とをＬｏｗとする。ＶＲＣ２をオン抵抗制御回路１０のパルス電流源２２の電流値がＩａになる状態にする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１はフォトダイオード１で発生した光電流の量に応じて上昇する。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は、スイッチング手段３のスイッチング動作の際にフィールドスルー電圧Ｖｎが信号電圧に付加される。

オン抵抗制御回路１０のパルス電流源２２の電流値をノイズ抑制のための電流値Ｉａに設定し、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎと容量素子８とでローパスフィルタを形成する。この期間、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔとは基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に保持される。

期間Ｔ３では、ΦＳＨとΦＴとをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦｘ１と、Φｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は光電流を引き続き積分コンデンサ４に蓄積し続けるため、上昇する。ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１を容量素子６、８の容量比Ｃ１／Ｃ２で増幅した電圧分、基準電圧源７の電圧から降下する。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と同じ電圧となる。

期間Ｔ４では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とをＨｉｇｈ、ΦＳＨとΦＴとΦｘ１と、Φｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は、基準電圧源２の電圧Ｖｒ１にリセットされ、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは期間Ｔ３終了時の信号電圧レベルに保持される。

このように、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎと容量素子８とでローパスフィルタを形成して、固体撮像装置で発生されるランダムノイズを抑制することで固体撮像装置の出力信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。

図４は、本実施形態における固体撮像装置の別の構成例を示す構成図である。図４に示す固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置の内で、オン抵抗制御回路１０を電界効果トランジスタ１１のゲート端子に接続した場合のものである。ここで、上記の実施形態と構成が同様な場合には説明を適宜省略する。図４の構成ではオン抵抗制御回路１０の端子Ｂが電界効果トランジスタ１１のゲート端子に接続する。

図５は、図４の固体撮像装置の動作内容を示すタイミングチャートである。ここで、ＶＲＣ１は電界効果トランジスタ１１のスイッチ制御タイミングを示し、ΦＲＣ２は電界効果トランジスタ１２のスイッチ制御タイミングを示す。期間Ｔ１〜Ｔ４のスイッチ動作については、ΦＲＣ１、ＶＲＣ２をＶＲＣ１、ΦＲＣ２に入れ換える以外は図３と同様である。図５のように動作制御することにより、電界効果トランジスタ１１に起因するリセットノイズを抑制する事ができる。

次に、図面を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図６は本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す構成図である。図７は本実施形態でのオン抵抗制御回路１００の内部構成を示す構成図である。ここで、上記の第１の実施形態と構成が同様な場合には説明を適宜省略する。

図６の固体撮像装置は、信号出力端子１８にオン抵抗制御回路制御信号生成手段２４の入力部を接続し、オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４の出力部をオン抵抗制御回路１００内のパルス電流源２２に接続し、その電流値を変更して電界トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎを制御するように構成されている。

また、図７に示すようにオン抵抗制御回路１００には、オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４に接続された端子Ｄが付加されている。なお、図６のオン抵抗制御回路制御信号生成手段２４の出力部は端子Ｄを介してオン抵抗制御回路１００内でパルス電流源２２に接続されているが、オン抵抗制御回路１００内の基準電圧源２０に接続して、基準電圧源２０の電圧値を変更させることでオン抵抗Ｒｏｎを制御するようにしてもよい。もしくはパルス電流源２２及び基準電圧源２０の両方に接続し、パルス電流源２２の電流値と基準電圧源２０の電圧値との両方を変更させることでオン抵抗Ｒｏｎを制御するようにしてもよい。

オン抵抗制御回路１００は、パルス電流源２２にオン抵抗制御回路制御信号生成手段２４の出力が接続され、パルス電流源２２の電流値Ｉｘが変更可能となっている。これにより、オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４で検出した信号出力端子１８の出力電圧Ｖｏｕｔの信号変化量に応じて、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎを最適に制御する事が可能となる。

図８は本実施形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。ＶＲＣ２以外の制御タイミングについては第１の実施形態の図３と同様である。図８は、（ａ）がフォトダイオード１に明るい光が入射した時、（ｂ）が暗い光が入射した時のＶＲＣ２及びＶｏｕｔのタイミングチャートである。

フォトダイオード１に入射する光が明るい場合は、発生する光電流が多いために信号電圧Ｖｏｕｔは急峻に変化する。信号電圧が急峻に変化したことで信号帯域は高周波に及ぶ。そこで図８（ａ）のようにＶｏｕｔの変化に応じてオン抵抗制御回路１０のパルス電流源２２の電流値Ｉａの値を大きくし、オン抵抗Ｒｏｎと容量Ｃ２とで形成されるローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃを高くする。逆にフォトダイオード１に入射する光が少ない時は図８（ｂ）のように電流値Ｉａを小さくする。尚、ここでは信号出力端子１８の信号電圧Ｖｏｕｔの変化量に応じてパルス電流源２２の電流値Ｉａの値を調整するようにしたが、装置外部の露光系の出力によりパルス電流源２２の電流値Ｉａの値を調整するようにしても良い。

このように、カットオフ周波数ｆｃを信号帯域に合わせて最適に調整することにより、ノイズを最大限に抑制しながら信号を読み出す事ができる。その結果、光電変換素子であるフォトダイオード１に入射する光量が変化してもノイズを抑制して信号を読み出す事が出来る。

本実施形態における固体撮像装置の具体的な動作については、まず仮積分区間で、期間Ｔ１〜Ｔ３まで第１の実施形態の動作と同様の動作を行う。その後、期間Ｔ３での信号電圧の変化量に応じてパルス電流源２２の電流値Ｉａの値を調整する。本積分区間内で、期間Ｔ１’では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦＳＨとΦｘ２とをＨｉｇｈ、ΦＴとΦｘ１とをＬｏｗとする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は基準電圧源２の電圧Ｖｒ１に、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に、信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。

期間Ｔ２’では、ΦＲＣ１とΦＳＨとをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＴとΦｘ２とをＬｏｗとする。Φｘ１をＨｉｇｈにしてＶＲＣ２をオン抵抗制御回路１０のパルス電流源２２からの電流を調整後の電流値Ｉａになる状態にする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は上昇し、スイッチング手段３のスイッチング動作の際にフィールドスルー電圧Ｖｎが信号電圧に付加される。この期間、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔとは基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に保持される。

期間Ｔ３’では、ΦＳＨとΦＴとをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦｘ１とΦｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は光電流を積分コンデンサ４に蓄積し続けるため、上昇する。ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１を容量素子６、８の容量比Ｃ１／Ｃ２で増幅した電圧分、基準電圧源７の電圧Ｖｒ２から降下する。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と同じ電圧となる。

期間Ｔ４では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とをＨｉｇｈ、ΦＳＨとΦＴとΦｘ１とΦｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は、基準電圧源２の電圧Ｖｒ１にリセットされ、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは期間Ｔ３’終了時の信号電圧レベルに保持される。

次に、図面を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。図９は本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す構成図である。ここで、オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４の入力部は画素部Ｂ１の出力端子に接続されている。その他の構成については上記第２の実施形態の構成と同様である。このように、本実施形態では、オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４で検出した画素部Ｂ１の出力電圧Ｖ１の信号変化量に応じて、電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎを最適に制御する。以下、本実施形態ではパルス電流源２２の電流値を制御ものとして説明するが、第２の実施形態でも述べたように、基準電圧源２０にオン抵抗制御回路制御信号生成手段２４を接続し、基準電圧源２０の電圧値を制御することで電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒｏｎの値を制御するようにしてもよい。

図１０は、本発明の第３の実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。図１０の（ａ）はフォトダイオード１に明るい光が入射した場合のタイミングチャートで、（ｂ）が暗い光が入射した場合のタイミングチャートである。ＶＲＣ２とΦｘ１以外の制御タイミングは第１の実施形態の図３と同様である。

期間Ｔ１では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦＳＨとΦｘ２とをＨｉｇｈ、ΦＴとΦｘ１とをＬｏｗとする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は基準電圧源２の電圧Ｖｒ１に、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に、信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔも基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。

期間Ｔ２では、ΦＲＣ１とΦＳＨとＶＲＣ２とをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＴとをＬｏｗとする。この期間では、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１はフォトダイオード１で発生した光電流の量に応じて上昇する。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は、スイッチング手段３のスイッチング動作の際にフィールドスルー電圧Ｖｎが信号電圧に付加される。オン抵抗制御回路制御信号生成手段２４は、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１の変化量に応じてフォトダイオード１に発生する光量の値を検出し、検出結果からΦｘ１をＨｉｇｈにして、オン抵抗制御回路１００を制御する。

即ち、図１０のタイミングチャート上では、ＶＲＣ２の電流値がＩｘになる状態に相当する。ここで、フォトダイオード１に発生する光量が大きい場合は、図１０（ａ）のように、パルス電流源２２の電流値Ｉａが大きくなるように制御し、一方、フォトダイオード１に発生する光量が小さい場合は、図１０（ｂ）のように、パルス電流源２２の電流値Ｉａが小さくなるように制御する。この期間、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔとは基準電圧源７の電圧Ｖｒ２に保持される。

期間Ｔ３では、ΦＳＨとΦＴとをＨｉｇｈ、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とΦｘ１、Φｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は光電流を積分コンデンサ４に蓄積し続けるため、上昇する。ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１を容量素子６、８の容量比Ｃ１／Ｃ２で増幅した電圧分、基準電圧源７の電圧から降下する。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２と同じ電圧となる。

期間Ｔ４では、ΦＲとΦＲＣ１とＶＲＣ２とをＨｉｇｈ、ΦＳＨとΦＴとΦｘ１、Φｘ２とをＬｏｗとする。画素部Ｂ１の出力端子の電圧Ｖ１は、基準電圧源２の電圧Ｖｒ１にリセットされ、ＣＤＳ回路部Ｂ２の出力端子の電圧Ｖ２は、基準電圧源７の電圧Ｖｒ２にリセットされる。信号出力端子１８の電圧Ｖｏｕｔは期間Ｔ３終了時の信号電圧レベルに保持される。

尚、本発明の実施形態の各構成は各種の変形、変更が可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、本実施形態の記述に限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態でのオン抵抗制御回路１０の内部構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の動作内容を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の別の構成例を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態の別の構成例での固体撮像装置の動作内容を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態でのオン抵抗制御回路１００の内部構成を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の動作内容を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の従来技術にかかる固体撮像装置の全体構成を示す構成図である。 従来技術にかかる固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…フォトダイオード、 ２、７、１３…基準電圧源、 ３、１１、１２、１４、１５…スイッチング手段、 ４…積分コンデンサ、 ５、９、１７…演算増幅器、 ６、８、１６…容量素子、 １０…オン抵抗制御回路、 １８…信号出力端子

Claims (3)

1. 光電変換素子、及び前記光電変換素子からの信号電荷を増幅する増幅器を有する画素部と、
   前記画素部の出力に一端を接続した第１の容量素子、反転入力端子を該第１の容量素子の他端に、非反転入力端子を第１の基準電圧源に接続した第１の演算増幅器、一端を該第１の容量素子の他端に接続した第２の容量素子、一端を該第２の容量素子の他端に、他端を該第１の演算増幅器の出力端子に接続した第１のスイッチング手段、ドレインを該第２の容量素子の他端に、ソースを第２の基準電圧源に接続した第１の電界効果トランジスタ、ドレインを該第２の容量素子の一端に、ソースを第１の演算増幅器の出力端子に接続した第２の電界効果トランジスタ、及び、該第１の電界効果トランジスタ又は該第２の電界効果トランジスタの少なくとも一方のゲート端子に接続されて該第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を制御するオン抵抗制御回路を有するノイズ除去回路と、
   を有し、
   前記オン抵抗制御回路は、その出力端子を前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのゲートに接続した第２の演算増幅器、該第２の演算増幅器の非反転入力端子に接続したパルス電流源、及び、ドレインを該第２の演算増幅器の非反転入力端子に、ソースを第３の基準電圧源を介して該第２の演算増幅器の反転入力端子に接続すると共に、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのソースに接続し、ゲートを該第２の演算増幅器の出力端子に接続した、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタと同一サイズの第３の電界効果トランジスタを有する事を特徴とする固体撮像装置。
2. 前記オン抵抗制御回路は、前記画素部に入力する光量に応じて、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記画素部の出力に接続され、前記画素部の出力の変化の大きさを検出する検出回路を更に有し、前記オン抵抗制御回路は、前記検出回路の検出結果に基づき、前記第１又は第２の少なくとも一方の電界効果トランジスタのオン抵抗を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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