JP5288965B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファクシミリ、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

近年、ファクシミリ、スキャナ、デジタルカメラ向けにＣＭＯＳ型固体撮像装置が広く普及してきている。この１つの理由が、高いＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）を実現できるようになったことである。ＣＭＯＳ型固体撮像装置では、画素から信号を読み出す信号線の直後に増幅器を設け回路ノイズが小さい段階で信号を増幅することで、Ｓ／Ｎを高くする技術が知られている。

リニア型ＣＭＯＳ固体撮像装置の空間解像度は年々向上する一方、低コスト化が求められている。低価格化の有力な手段として特許文献１では、通常列毎に設ける増幅器を複数列で共有し回路素子数を削減することでチップ面積を縮小している。

特許文献１において、第１のサンプリング・コンデンサ（以下クランプ容量）を用いて、画素のリセット信号と光信号を用いたＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）処理が行われる。このとき、光信号読み出し後に行われたリセット信号が、ＣＤＳ処理に使用される。このＣＤＳ処理によって、画素で発生する、製造ばらつき等に起因した固定パターンノイズを除去することができる。

特開２００３−２２８４５７号公報

しかしながら、上述した低コスト化技術を適用した固体撮像装置には、以下に示すような課題がある。

画素のリセット信号にはリセットトランジスタによるランダム性のｋＴＣノイズ（熱雑音）が重畳される。しかし、特許文献１に記載されている動作では、光信号とリセット信号には相関が無いため、ＣＤＳ処理によってｋＴＣノイズを除去することができない。

特許文献１の回路構成において、画素信号の読み出しを行う際に、同時にオンさせる列選択スイッチの数を変えることで、光信号の加算と解像度の変更が可能となる。例えば、一つの増幅器に接続されている２つの列選択スイッチを同時にオンすることで、２画素が同時に読み出され、低解像度撮像を行うことができる。しかし２画素の光信号の加算と同時に、２画素のリセット信号に含まれるｋＴＣノイズも加算されるため、低解像度モード時には、通常の解像度の時に比べてノイズが増加してしまう。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、低コスト性を維持しつつ、低解像度モード時における信号の低ノイズ読み出しを可能とする固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の固体撮像装置は、光を電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の電荷をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段の電荷を増幅する増幅手段とを含むＮ列のリニア状に配列された複数の画素と、各列の画素毎に設けられ、前記増幅手段により増幅された電荷を蓄積する複数のクランプ容量と、Ｌ個（Ｌは２以上かつＮの約数）の前記クランプ容量毎に設けられ、それぞれがＬ個のクランプ容量に接続可能な共通ノードと、前記クランプ容量及び前記共通ノード間に接続される複数の画素選択スイッチと、前記共通ノードを基準電位に固定するクランプ手段と、前記クランプ手段を介して前記共通ノードに接続され、前記共通ノードの電荷に応じた電荷をサンプルホールドするサンプルホールド回路とを有する固体撮像装置であって、第１の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのうちの１個の画素選択スイッチのみをオンし、前記サンプルホールド回路により前記光信号及び前記リセット信号の差分信号をサンプルホールドし、第２の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのすべてをオンし、前記サンプルホールド回路により前記リセット信号及び前記光信号の差分信号をサンプルホールドすることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光を電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の電荷をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段の電荷を増幅する増幅手段とを含むＮ列のリニア状に配列された複数の画素と、各列の画素毎に設けられ、前記増幅手段により増幅された電荷を蓄積する複数のクランプ容量と、Ｌ個（Ｌは２以上かつＮの約数）の前記クランプ容量毎に設けられ、それぞれがＬ個のクランプ容量に接続可能な共通ノードと、前記クランプ容量及び前記共通ノード間に接続される複数の画素選択スイッチと、前記共通ノードを基準電位に固定するクランプ手段と、前記クランプ手段を介して前記共通ノードに接続され、前記共通ノードの電荷に応じた電荷をサンプルホールドするサンプルホールド回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、第１の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのうちの１個の画素選択スイッチのみをオンし、前記サンプルホールド回路により前記光信号及び前記リセット信号の差分信号をサンプルホールドするステップを有し、第２の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのすべてをオンし、前記サンプルホールド回路により前記リセット信号及び前記光信号の差分信号をサンプルホールドするステップを有することを特徴とする。

低コスト性を維持しつつ、低解像度の第２の動作モードにおいては高いＳ／Ｎでの読み出しを可能とする。

次に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のシステムブロック図である。１００は、複数の画素１０１がＮ個（すなわちＣｏｌｕｍｎ＿１、Ｃｏｌｕｍｎ＿２、・・・Ｃｏｌｕｍｎ＿Ｎ）のリニア状に配列されたセンサアレイである。１１０は、画素１０１の出力バッファにバイアスを加えるために各画素毎に設けられた電流源である。画素１０１からの出力は、読み出し回路１８０にＬ（ＬはＮの約数）画素１０１単位で接続される。読み出し回路１８０は、Ｌ個の画素１０１毎に設けられる。本実施形態は、複数の画素１０１が１行又は数行にわたり直線状に配列されたリニア型センサである。

読み出し回路１８０には、各画素１０１に一つずつ設けられたクランプ容量１２０がＬ個含まれ、各画素１０１からの出力とクランプ容量１２０の第１の電極とがそれぞれ接続される。各画素１０１に設けられたＬ個の画素選択スイッチ１３０は、クランプ容量１２０の第２の電極にそれぞれ接続される。Ｌ個の画素選択スイッチ１３０は、各画素１０１に対応したＬ本の制御信号（すなわちΦｓｗ<１>、Φｓｗ<２>、・・・Φｓｗ<Ｌ>）によってそれぞれ制御される。Ｌ個のクランプ容量１２０の第２の電極は、列選択スイッチ１３０を介して、共通ノード１４０に接続される。共通ノード１４０は、共通ノード１４０を特定の基準電位に固定する機能を持ったクランプ手段１５０に接続されている。

共通ノード１４０は、クランプ手段１５０を介してサンプルホールド回路１６０に接続されており、サンプルホールド回路１６０は、読み出し回路１８０で出力される画素１０１のリセット信号と光信号の差分に応じた信号成分を保持する。サンプルホールド回路１６０に保持された信号成分は、共通出力線１９０を介して出力アンプ１７０に入力され、出力アンプ１７０によって出力される。

駆動制御回路３００は、モード切り替え手段２００とタイミング発生器２１０を含む。モード切り替え手段２００は、モード制御信号Φ１によって、第１の動作モード、又は第２の動作モードにおける制御パルスをタイミング発生器２１０から出力されてきた信号群の中から選択して出力する。

ここで、図１のモード切り替え手段２００の一例を図６に示す。タイミング発生器２１０には、画素選択スイッチ１３０の制御信号を記憶したＲＯＭ回路（すなわちＲＯＭ１、ＲＯＭ２、・・・ＲＯＭＬ、ＲＯＭ＿２ｎｄ）が設けられている。第１の動作モード時、モード制御信号Φ１がハイレベルとなる。すると、モード切り替え手段２００に設けられたマルチプレクサによって、ＲＯＭ１、ＲＯＭ２、・・・ＲＯＭＬからの信号が、画素選択スイッチ１３０の制御信号Φｓｗ<１>、Φｓｗ<２>、・・・Φｓｗ<Ｌ>として出力される。第２の動作モード時、モード制御信号Φ１がローレベルとなり、ＲＯＭ＿２ｎｄからの信号が、画素選択スイッチ１３０の制御信号Φｓｗ<１>、Φｓｗ<２>、・・・Φｓｗ<Ｌ>として出力される。このように、モード切り替え手段２００によって、動作モード毎に読み出し回路１８０へ入力する制御パルスを切り替える。

なお、本実施形態におけるモード切り替え手段２００の構成は図６に限定されるものではない。このことは、以降の実施形態においても同様である。

図２に図１のシステムブロック図をさらに詳細に示した固体撮像装置の概略構成図を示す。なお図２は、共有化する画素数Ｌを２画素とした場合について示している。また、図２の各スイッチは制御信号がハイレベルの時にオンし、ローレベルの時にオフするものとし、以降の実施形態においても同様である。

図２において、画素１０１は、フォトダイオード（光電変換手段）１０２、リセットトランジスタ（リセットトランジスタ）１０３、ソースフォロワアンプの入力トランジスタ（増幅手段）１０４で構成される。フォトダイオード１０２は、光を電荷に変換して蓄積する。

クランプ手段１５０は、演算増幅器２０１、フィードバック容量２０２、リセットスイッチ２０３により構成され、クランプ容量１２１及び１２２を入力容量としたスイッチトキャパシタアンプを構成している。クランプ手段１５０は、増幅モードとユニティゲインモードを有しており、リセットスイッチ２０３がオフの時に増幅モードとなり、クランプ容量１２１及び１２２とフィードバック容量２０２の比に従って信号の増幅が行われる。また、リセットスイッチ２０３をオンにすることで、クランプ手段１５０は、ユニティゲインモードになり、演算増幅器２０１のオフセットを無視すれば、正入力端子に印加される基準電位ＶＣ０Ｒでリセットされる。

サンプルホールド回路１６０は、読み出し回路１８０によって増幅された画素の信号成分と読み出し回路１８０で発生したノイズ成分をそれぞれ保持しておくための保持容量２１１（以降Ｃｔｓという）及び２１２（以降Ｃｔｎという）を含む。また、サンプルホールド回路１６０は、Ｃｔｓ２１１及びＣｔｎ２１２へのサンプリングを制御するサンプルホールド制御スイッチ２２１及び２２２、共通出力線１９１，１９２への読み出しの制御を行う水平走査スイッチ２３１及び２３２を含む。サンプルホールド制御スイッチ２２１及び２２２は、駆動制御回路３００の制御信号ｐＴＳ及びｐＴＮによって制御され、水平走査スイッチ２３１及び２３２は、水平シフトレジスタ信号ｈｓｒ＜１＞、・・・ｈｓｒ＜Ｎ／２＞によって制御される。差動アンプ１７１は、共通出力線１９１及び１９２の信号の差分を出力する。

ここで、通常解像度での撮像を行う第１の動作モードの固体撮像装置の駆動方法について、図３のタイミングチャートを用いて説明する。期間ＲＥＳＥＴ１で、駆動制御回路３００の信号ｐｃ０Ｒ、ｐＴＮ、ｐＴＳをハイレベルにし、クランプ手段１５０をユニティゲインモードにし、クランプ手段１５０、Ｃｔｓ２１１、Ｃｔｎ２１２のリセットを行う。その後、期間ＣＬＡＭＰＳ１において、制御信号Φｓｗ<１>とΦｓｗ<２>がハイレベルになることで、クランプ容量１２１及び１２２と共通ノード１４０とが接続され、クランプ容量１２１及び１２２の第２の電極に基準電位ＶＣ０Ｒが印加される。この時、クランプ容量１２１及び１２２の第１の電極には各画素の光信号が印加されている。そのため、クランプ容量１２１及び１２２には、各列の画素の光信号とＶＣ０Ｒの差電圧に応じた電荷が保存される。

信号ｐＣ０Ｒをローレベルにし、クランプ手段１５０を増幅モードにした後、期間ＳＨＮ１で、信号ｐＴＮをハイレベルにすることにより、読み出し回路１８０のノイズ信号がＣｔｎ２１２に保持される。次に、駆動制御回路３００のリセット信号ｐＲＥＳをハイレベルにし、リセットトランジスタ１０３をオンし、フォトダイオード１０２をリセットする。期間ＳＷＲ１では、信号Φｓｗ<１>をハイレベルにし、信号Φｓｗ<１>が接続された各画素のリセット信号をクランプ容量１２１に読み出すことで、クランプ手段１５０は、ＣＤＳ処理とそこから得られる光信号とリセット信号との差分信号の増幅を行う。期間ＳＨＳ１では、信号ｐＴＳをハイレベルにすることにより、増幅された信号成分がＣｔｓ２１１に保持される。期間Ｈｓｃａｎ１では、信号ｈｓｒ＜１＞〜ｈｓｒ＜Ｎ／２＞を順にハイレベルパルスとすることにより、Ｃｔｓ２１１及びＣｔｎ２１２に保持された信号の差分が、差動アンプ１７１を介してセンサ外部へ出力される。

期間ＲＥＳＥＴ２では、信号ｐＣ０Ｒ、ｐＴＮ、ｐＴＳをハイレベルにし、クランプ手段１５０とサンプルホールド回路１６０のリセットを行う。期間ＳＨＮ２では、信号ｐＴＮをハイレベルにすることにより、読み出し回路１８０のノイズ信号がＣｔｎ２１２に保持される。その後、期間ＳＷＲ２では、制御信号Φｓｗ<２>をハイレベルにすることにより、制御信号Φｓｗ<２>が接続された各画素のリセット信号をクランプ容量１２２に読み出し、ＣＤＳ処理と信号の増幅を行う。期間ＳＨＳ２では、信号ｐＴＳをハイレベルにすることにより、増幅された信号がＣｔｓ２１１に保持される。期間Ｈｓｃａｎ２では、信号ｈｓｒ＜１＞〜ｈｓｒ＜Ｎ／２＞を順にハイレベルパルスとすることにより、Ｃｔｓ２１１及びＣｔｎ２１２に保持された信号成分を差動アンプ１７１を介してセンサ外部へ出力する。以上が第１の動作モードにおける１行分の信号の読み出しに関する一連の動作である。光信号の蓄積期間は、図３に示すように、リセット信号ｐＲＥＳがローレベルになってから期間ＣＬＡＭＰＳ１の終了までである。

続いて、低解像度での撮像を行う第２の動作モードの固体撮像装置の駆動方法について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。期間ＰＩＸＲＥＳにて、信号ｐＲＥＳ、ｐＣ０Ｒをハイレベルにし、画素１０１をリセットする。その後、期間ＣＬＡＭＰＲにて、制御信号Φｓｗ<１>とΦｓｗ<２>をハイレベルにする。これにより、各画素１０１のリセット信号をクランプ容量１２１、１２２に読み出し、基準電位ＶＣ０Ｒとリセット信号の差電圧に応じた電荷をクランプ容量１２１、１２２に保持する。その後、期間ＲＥＳＥＴまでは、信号ｈｓｒ＜１＞〜ｈｓｒ＜Ｎ／２＞を順にハイレベルパルスとすることにより、前フレームの信号をチップ外部へ読み出し、この期間を利用して光蓄積を行う。

期間ＲＥＳＥＴでは、信号ｐＣ０Ｒ、ｐＴＮ、ｐＴＳをハイレベルにすることにより、クランプ手段１５０とサンプルホールド回路１６０のリセットを行う。その後、期間ＳＨＮでは、信号ｐＴＮをハイレベルにすることにより、読み出し回路１８０のノイズ信号がＣｔｎ２１２で保持される。期間ＳＷＳでは、制御信号Φｓｗ<１>とΦｓｗ<２>をハイレベルにすることにより、各画素１０１の光信号の読み出しを行う。この時、第１の動作モードでは各画素１０１別々のタイミングで行われていたＣＤＳ処理と信号の増幅を、第２の動作モードでは期間ＳＷＳに、制御信号Φｓｗ<１>とΦｓｗ<２>を同時にハイレベルにすることで、全画素同時に行う。クランプ手段１５０は、ＣＤＳ処理とそこから得られるリセット信号と光信号との差分信号の増幅を行う。

期間ＳＨＳでは、信号ｐＴＳをハイレベルにすることにより、増幅された信号がＣｔｓ２１１に保持される。その後、期間ＰＩＸＲＥＳ及びＣＬＡＭＰＲと同じ処理を行う。その後、期間Ｈｓｃａｎでは、信号ｈｓｒ＜１＞〜ｈｓｒ＜Ｎ／２＞を順にハイレベルパルスとすることにより、Ｃｔｓ２１１及びＣｔｎ２１２に保持された信号成分を差動アンプ１７１を介してセンサ外部へ出力する。以上が第２の動作モードにおける２行分の信号の読み出しに関する一連の動作である。光信号の蓄積期間は、図４に示すように、期間ＣＬＡＭＰＲの終了時から期間ＳＷＳの終了時までである。隣接するＬ個の画素１０１の信号を加算することにより、低解像度を実現する。

ここで、１画素目のリセット信号及び光信号をＶＲ１、ＶＳ１、２画素目のリセット信号及び光信号をＶＲ２、ＶＳ２とする。また、クランプ容量１２１及び１２２の容量値をそれぞれＣｃとし、フィードバック容量２０２の容量値をＣｆとする。この時、期間ＳＷＳの動作の結果、読み出し回路１８０の出力ＯＵＴ<１>に現われる出力電圧ＶＯＵＴ＿１は、以下に示す（１）式で表される。

VOUT_1=(Cc/Cf)×[(VR1-VS1)+(VR2-VS2)]+VC0R （１）

この時、上述したタイミングで読み出すため、ＶＲ１とＶＳ１、ＶＲ２とＶＳ２はそれぞれ相関関係にある。そのため、（ＶＲ１−ＶＳ１）及び（ＶＲ２−ＶＳ２）で表されるＣＤＳ処理によって、ｋＴＣノイズが除去され、加算動作による低解像度撮像時のノイズの増加を抑圧することが可能となる。

このように、本実施形態においては、低解像度撮像時に光信号と相関のあるリセット信号をＣＤＳ処理に使用することで、低コスト性を損なうことなく、低ノイズな読み出しを可能としている。

なお、本実施形態における画素１０１は、図２に示すように、フォトダイオード１０２、リセットトランジスタ１０３、入力トランジスタ１０４で構成されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、選択トランジスタが含まれていてもよい。例えば複数の色を扱うセンサ等において、入力トランジスタ１０４のソース端子に行選択トランジスタが設けられる場合があるが、この行選択トランジスタを設けることで本実施形態の第２の動作モードのリセットレベルと光信号の相関関係が損なわれることはない。そのため、行選択トランジスタの有無に関わらず本実施形態で示した効果は得られる。このことは以降の実施形態においても同様である。

また、本実施形態では、クランプ手段１５０を図２に示すような増幅器で構成したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、クランプ手段１５０を図５に示すような、制御信号ｐＣ０Ｒによって制御されるクランプスイッチ１５１のみで構成される回路で置き換えても本実施形態における効果は得られる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、Ｎ列のリニア状に配列された複数の画素１０１を有する。画素１０１は、光を電荷に変換して蓄積する光電変換手段（ＦＤ）１０２と、光電変換手段１０２の電荷をリセットするリセット手段（リセットトランジスタ）１０３と、光電変換手段１０２の電荷を増幅する増幅手段（入力トランジスタ）１０４とを含む。

複数のクランプ容量１２１，１２２は、各列の画素１０１毎に設けられ、増幅手段１０４により増幅された電荷を蓄積する。共通ノード１４０は、Ｌ個（Ｌは２以上かつＮの約数）のクランプ容量１２１，１２２毎に設けられ、それぞれがＬ個のクランプ容量１２１，１２２に接続可能である。複数の画素選択スイッチ１３０は、クランプ容量１２１，１２２及び共通ノード１４０間に接続される。クランプ手段１５０は、共通ノード１４０を基準電位ＶＣ０Ｒに固定することができる。サンプルホールド回路１６０は、クランプ手段１５０を介して共通ノード１４０に接続され、共通ノード１４０の電荷に応じた電荷をサンプルホールドする。

第１の動作モード（図３）では、リセット手段１０３によるリセットを行わない状態で光電変換手段１０２の電荷を光信号としてクランプ容量１２１，１２２に蓄積する。次に、リセット手段１０３によるリセットを行った状態の光電変換手段１０２の電荷をリセット信号としてクランプ容量１２１，１２２に蓄積する。次に、期間ＳＷＲ1で、同一の共通ノード１４０に接続される複数の画素選択スイッチ１３０のうちの１個の画素選択スイッチのみをオンし、期間ＳＨＳ１で、サンプルホールド回路１６０により光信号及びリセット信号の差分信号をサンプルホールドする。

第２の動作モード（図４）では、リセット手段１０３によるリセットを行った状態の光電変換手段１０２の電荷をリセット信号としてクランプ容量１２１，１２２に蓄積する。次に、リセット手段１０３によるリセットを行わない状態で光電変換手段１０２の電荷を光信号としてクランプ容量１２１，１２２に蓄積する。次に、期間ＳＷＳで、同一の共通ノード１４０に接続される複数の画素選択スイッチ１３０のすべてをオンし、期間ＳＨＳで、サンプルホールド回路１６０によりリセット信号及び光信号の差分信号をサンプルホールドする。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す図である。但し、ここでは、本実施形態と第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

本発明の第１の実施形態で示したように、第１の動作モードにおいては、光信号からリセット信号を減算するのに対して、第２の動作モードにおいては、リセット信号から光信号を減算する。つまり、ＣＤＳ処理によって得られる信号成分の極性が、第１の動作モードと第２の動作モードとで逆になる。このため動作モードによって、読み出し回路１８０の出力は、基準電位に対してプラス、マイナスの両方向に信号振幅をもつことになり、演算増幅器２０１の出力動作レンジや後段の回路の入出力動作レンジが圧迫される可能性がある。

基準電位切り替え手段４００は、各クランプ手段１５０へ基準電位を供給している基準電位ノード４１０の電圧値を制御しており、基準電位切り替えスイッチ４０１及び４０２とモード制御信号Φ１の反転信号を生成するためのインバータ４０３で構成される。本実施形態では、上述した第１の動作モード時は、モード制御信号Φ１がハイレベルとなり、基準電位切り替えスイッチ４０１がオンして、ノード４１０へ第１の基準電位ＶＣ０Ｒ１を供給する。ノード４１０は、演算増幅器２０１の正入力端子に接続される。また、上述した第２の動作モード時は、Φ１がローレベルとなり、基準電位切り替えスイッチ４０２がオンして、ノード４１０へ第２の基準電位ＶＣ０Ｒ２を供給する。本実施形態では、各クランプ手段１５０に印加する基準電位を動作モード毎に変化さることで、演算増幅器２０１、及び後段の回路に影響を与えることなく、適切な動作レンジで信号を取り扱うことが可能となる。

以上のように、基準電位切り替え手段４００は、第１の動作モードでは、基準電位を第１の基準電位ＶＣ０Ｒ１に切り替え、第２の動作モードでは、基準電位を第２の基準電位ＶＣ０Ｒ２に切り替える。

なお、本実施形態では基準電位切り替え手段４００に、図７に示す構成を適用したが、これに限定されるものではない。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す図である。但し、ここでは、本実施形態と第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

サンプルホールド容量切り替え手段５００は、信号ｐＴＮ及びｐＴＳが出力されるノードを第１及び第２の動作モードによって切り替える。第１の動作モード時は、モード制御信号Φ１がハイレベルとなる。すると、切り替え手段５００は、Ｃｔｓ２１１へのサンプリングを制御しているサンプルホールド制御信号線５１０へ信号ｐＴＳを出力し、Ｃｔｎ２１２へのサンプリングを制御しているサンプルホールド制御信号線５２０へ信号ｐＴＮを出力する。信号線５１０はスイッチ２２２の制御信号線であり、信号線５２０はスイッチ２２１の制御信号線である。第２の動作モード時は、モード制御信号Φ１がローレベルとなり、信号ｐＴＳをサンプルホールド制御信号線５２０へ出力し、信号ｐＴＮをサンプルホールド制御信号線５１０へ出力する。

この結果、第１の動作モードでは、光信号がＣｔｓ２１１に保持され、リセット信号がＣｔｎ２１２に保持され、第２の動作モードでは、光信号がＣｔｎ２１２に保持され、リセット信号がＣｔｓ２１１に保持される。第２の実施形態で説明したように、ＣＤＳ処理の結果得られる信号成分の極性が、第１の動作モードと第２の動作モードとでは逆になる。それに伴い、光信号及びリセット信号が保持される容量が第１及び第２の動作モードで同じ場合、Ｃｔｓ２１１に保持された信号とＣｔｎ２１２に保持された信号の差分の極性も逆になる。本実施形態では、読み出し回路１８０から出力される画素の光信号及びリセット信号を保持する容量を、動作モードによって切り替えることで、後段の回路に影響を与えることなく、適切な動作レンジで信号を取り扱うことを可能とする。

以上のように、サンプルホールド回路１６０は、第１のサンプルホールド容量２１１及び第２のサンプルホールド容量２１２を有する。サンプルホールド容量切り替え手段５００は、第１の動作モードでは、第１のサンプルホールド容量２１１に光信号及びリセット信号の差分信号を蓄積させ、第２のサンプルホールド容量２１２にノイズ信号を蓄積させる。また、サンプルホールド容量切り替え手段５００は、第２の動作モードでは、第１のサンプルホールド容量２１１にノイズ信号を蓄積させ、第２のサンプルホールド容量２１２にリセット信号及び光信号の差分信号を蓄積させる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す図である。但し、ここでは、本実施形態と第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図９において、本実施形態では、入力端子切り替え手段６００は、差動アンプ１７１の入力端子へ接続される共通出力線１９１及び１９２を、第１及び第２の動作モードによって切り替える。動作モードによって、差動アンプ１７１の入力に接続される共通出力線１９１及び１９２を切り替えて、入力される信号成分の極性を第１の動作モードと第２の動作モードで揃えることで、差動アンプ１７１を適切な入出力動作レンジで動作させることが可能となる。

例えば、第１の動作モードでは、モード制御信号Φ１がハイレベルとなり、共通出力線１９１が差動アンプ１７１の負入力端子に接続され、共通出力線１９２が差動アンプ１７１の正入力端子に接続される。第２の動作モードでは、モード制御信号Φ１がローレベルとなり、共通出力線１９１が差動アンプ１７１の正入力端子に接続され、共通出力線１９２が差動アンプ１７１の負入力端子に接続される。

以上のように、サンプルホールド回路１６０は、第１のサンプルホールド容量２１１及び第２のサンプルホールド容量２１２を有する。第１の共通出力線１９１及び第２の共通出力線１９２は、第１のサンプルホールド容量２１１及び第２のサンプルホールド容量２１２に蓄積された信号を外部へ出力するための共通出力線である。差動増幅器１７１は、第１の入力端子及び第２の入力端子を有する。入力端子切り替え手段６００は、第１の動作モードでは、第１の共通出力線１９１を差動増幅器１７１の第１の入力端子に接続して、第２の共通出力線１９２を差動増幅器１７１の第２の入力端子に接続する。また、入力端子切り替え手段６００は、第２の動作モードでは、第１の共通出力線１９１を差動増幅器１７１の第２の入力端子に接続して、第２の共通出力線１９２を差動増幅器１７１の第１の入力端子に接続する。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す図である。但し、ここでは、本実施形態と第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

共通出力線切り替え手段７００は、モード制御信号Φ１及びその反転信号によって制御される共通出力線選択スイッチ７０１、７０２、７０３、７０４で構成される。共通出力線切り替え手段７００は、Ｃｔｓ２１１及びＣｔｎ２１２に接続される共通出力線１９１及び１９２を、第１及び第２の動作モードによって切り替える。本実施形態では、第１の動作モード時は、モード制御信号Φ１がハイレベルとなり、共通出力線選択スイッチ７０１及び７０２をオンする。また、インバータ７１０によって生成されたΦ１の反転信号によって共通出力線選択スイッチ７０３及び７０４がオフとなる。これにより、Ｃｔｓ２１１は共通出力線１９１に接続され、Ｃｔｎ２１２は共通出力線１９２に接続される。また、第２の動作モード時は、モード制御信号Φ１がローレベルとなり、共通出力線選択スイッチ７０１及び７０２をオフし、共通出力線選択スイッチ７０３及び７０４がオンとなる。これにより、Ｃｔｓ２１１は共通出力線１９２に接続され、Ｃｔｎ２１２は共通出力線１９１に接続される。

以上のように、サンプルホールド回路１６０は、第１のサンプルホールド容量２１１及び第２のサンプルホールド容量２１２を有する。第１の共通出力線１９１及び第２の共通出力線１９２は、第１のサンプルホールド容量２１１及び第２のサンプルホールド容量２１２に蓄積された信号を外部へ出力するための共通出力線である。差動増幅器１７１は、第１の共通出力線１９１及び第２の共通出力線１９２が入力端子に接続される。共通出力線切り替え手段７００は、第１の動作モードでは、第１のサンプルホールド容量２１１を第１の共通出力線１９１に接続して、第２のサンプルホールド容量２１２を第２の共通出力線１９２に接続する。また、共通出力線切り替え手段７００は、第２の動作モードでは、第１のサンプルホールド容量２１１を第２の共通出力線１９２に接続して、第２のサンプルホールド容量２１２を第１の共通出力線１９１に接続する。

本実施形態では、サンプルホールド回路１６０内のサンプルホールド容量２１１及び２１２に接続される共通出力線１９１及び１９２を動作モードによって切り替える。差動アンプ１７１に入力される信号成分の極性を第１の動作モードと第２の動作モードで揃えることによって、差動アンプ１７１を適切な入出力動作レンジで動作させることが可能となる。

なお、上記実施形態は、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。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のシステムブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における第１の動作モードを示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における第２の動作モードを示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置におけるクランプ手段の回路構成図である。 駆動制御回路の回路構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。

符号の説明

１００ センサアレイ
１０１ 画素
１１０ 負荷電流源
１２０、１２１、１２２ クランプ容量
１３０ 画素選択スイッチ
１４０ 共通ノード
１５０ クランプ手段
１６０ サンプルホールド回路
１７０ 出力バッファ
１７１ 差動アンプ
１８０ 読み出し回路
１９０、１９１、１９２ 共通出力線
２００ モード切り替え手段
２０１ 演算増幅器
２０２ フィードバック容量
２０３ リセットスイッチ
２１０ タイミング発生器
２１１、２１２ サンプルホールド容量
２２１、２２２ サンプルホールド制御スイッチ
２３１、２３２ 水平走査スイッチ
３００ 駆動制御回路
４００ 基準電位切り替え手段
４１０ 基準電位ノード
５００ サンプルホールド容量切り替え手段
５１０、５２０ サンプルホールド制御信号線
６００ 入力端子切り替え手段
７００ 共通出力線切り替え手段
７１０ インバータ

Claims (6)

1. 光を電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の電荷をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段の電荷を増幅する増幅手段とを含むＮ列のリニア状に配列された複数の画素と、
   各列の画素毎に設けられ、前記増幅手段により増幅された電荷を蓄積する複数のクランプ容量と、
   Ｌ個（Ｌは２以上かつＮの約数）の前記クランプ容量毎に設けられ、それぞれがＬ個のクランプ容量に接続可能な共通ノードと、
   前記クランプ容量及び前記共通ノード間に接続される複数の画素選択スイッチと、
   前記共通ノードを基準電位に固定するクランプ手段と、
   前記クランプ手段を介して前記共通ノードに接続され、前記共通ノードの電荷に応じた電荷をサンプルホールドするサンプルホールド回路とを有する固体撮像装置であって、
   第１の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのうちの１個の画素選択スイッチのみをオンし、前記サンプルホールド回路により前記光信号及び前記リセット信号の差分信号をサンプルホールドし、
   第２の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積し、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのすべてをオンし、前記サンプルホールド回路により前記リセット信号及び前記光信号の差分信号をサンプルホールドすることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１の動作モードでは、前記基準電位を第１の基準電位に切り替え、前記第２の動作モードでは、前記基準電位を第２の基準電位に切り替える基準電位切り替え手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記サンプルホールド回路は、第１のサンプルホールド容量及び第２のサンプルホールド容量を有し、
   サンプルホールド容量切り替え手段をさらに有し、
   前記サンプルホールド容量切り替え手段は、
   前記第１の動作モードでは、前記第１のサンプルホールド容量に前記光信号及び前記リセット信号の差分信号を蓄積させ、前記第２のサンプルホールド容量にノイズ信号を蓄積させ、
   前記第２の動作モードでは、前記第１のサンプルホールド容量にノイズ信号を蓄積させ、前記第２のサンプルホールド容量に前記リセット信号及び前記光信号の差分信号を蓄積させることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記サンプルホールド回路は、第１のサンプルホールド容量及び第２のサンプルホールド容量を有し、
   前記第１のサンプルホールド容量及び第２のサンプルホールド容量に蓄積された信号を外部へ出力するための第１の共通出力線及び第２の共通出力線と、
   第１の入力端子及び第２の入力端子を有する差動増幅器と、
   入力端子切り替え手段とをさらに有し、
   前記入力端子切り替え手段は、
   前記第１の動作モードでは、前記第１の共通出力線を前記差動増幅器の第１の入力端子に接続して、前記第２の共通出力線を前記差動増幅器の第２の入力端子に接続し、
   前記第２の動作モードでは、前記第１の共通出力線を前記差動増幅器の第２の入力端子に接続して、前記第２の共通出力線を前記差動増幅器の第１の入力端子に接続することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記サンプルホールド回路は、第１のサンプルホールド容量及び第２のサンプルホールド容量を有し、
   前記第１のサンプルホールド容量及び第２のサンプルホールド容量に蓄積された信号を外部へ出力するための第１の共通出力線及び第２の共通出力線と、
   前記第１の共通出力線及び前記第２の共通出力線が入力端子に接続される差動増幅器と、
   共通出力線切り替え手段とをさらに有し、
   前記共通出力線切り替え手段は、
   前記第１の動作モードでは、前記第１のサンプルホールド容量を前記第１の共通出力線に接続して、前記第２のサンプルホールド容量を前記第２の共通出力線に接続し、
   前記第２の動作モードでは、前記第１のサンプルホールド容量を前記第２の共通出力線に接続して、前記第２のサンプルホールド容量を前記第１の共通出力線に接続することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 光を電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の電荷をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段の電荷を増幅する増幅手段とを含むＮ列のリニア状に配列された複数の画素と、
   各列の画素毎に設けられ、前記増幅手段により増幅された電荷を蓄積する複数のクランプ容量と、
   Ｌ個（Ｌは２以上かつＮの約数）の前記クランプ容量毎に設けられ、それぞれがＬ個のクランプ容量に接続可能な共通ノードと、
   前記クランプ容量及び前記共通ノード間に接続される複数の画素選択スイッチと、
   前記共通ノードを基準電位に固定するクランプ手段と、
   前記クランプ手段を介して前記共通ノードに接続され、前記共通ノードの電荷に応じた電荷をサンプルホールドするサンプルホールド回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   第１の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのうちの１個の画素選択スイッチのみをオンし、前記サンプルホールド回路により前記光信号及び前記リセット信号の差分信号をサンプルホールドするステップを有し、
   第２の動作モードでは、前記リセット手段によるリセットを行った状態の前記光電変換手段の電荷をリセット信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、前記リセット手段によるリセットを行わない状態で前記光電変換手段の電荷を光信号として前記クランプ容量に蓄積するステップと、次に、同一の前記共通ノードに接続される前記複数の画素選択スイッチのすべてをオンし、前記サンプルホールド回路により前記リセット信号及び前記光信号の差分信号をサンプルホールドするステップを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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