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JP7734909B2 - Image Sensor - Google Patents
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JP7734909B2 - Image Sensor - Google Patents

Image Sensor

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JP7734909B2 JP2021146441A JP2021146441A JP7734909B2 JP 7734909 B2 JP7734909 B2 JP 7734909B2 JP 2021146441 A JP2021146441 A JP 2021146441A JP 2021146441 A JP2021146441 A JP 2021146441A JP 7734909 B2 JP7734909 B2 JP 7734909B2
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Description

本発明はイメージセンサに関する。 The present invention relates to an image sensor .

イメージセンサは、一般に、光信号を電気信号に変換する光電センサーと電気信号を制御するトランジスタを備える複数の画素が行方向及び列方向に2次元的に配置され、各行及び各列の電気信号をデジタル値に変換するコラムA/D(アナログ・デジタル)変換器、各画素を制御する走査回路などで構成されている。また、光電センサーに有機薄膜、量子ドット薄膜、炭素系薄膜などの光電膜を用いることで、これまで用いられてきたシリコンフォトダイオードでは対応できなかった赤外光などの波長域の光も検出可能となる他、性質の異なる複数の光電薄膜を組み合わせて用いることで、イメージセンサに様々な機能を付与することが可能となる。 Image sensors generally consist of a photoelectric sensor that converts optical signals into electrical signals, multiple pixels equipped with transistors that control the electrical signals, arranged two-dimensionally in the row and column directions, a column A/D (analog-to-digital) converter that converts the electrical signals of each row and column into digital values, and a scanning circuit that controls each pixel. Furthermore, by using photoelectric films such as organic thin films, quantum dot thin films, and carbon-based thin films in photoelectric sensors, it becomes possible to detect light in wavelength ranges such as infrared light, which could not be detected by the silicon photodiodes used until now. Furthermore, by combining multiple photoelectric films with different properties, it becomes possible to give image sensors a variety of functions.

図16は光電膜を用いた画素の構成を示す回路図である。図16に示す画素100には、光電膜110を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタM、光電膜110を流れる光電流を電荷として蓄積する容量C、ソースフォロアを構成するトランジスタM、画素を選択し、ソースフォロアを介して共通信号線Dに蓄積電荷に比例した電圧を選択的に出力するトランジスタMが設けられている。図16に示すような3つのトランジスタを備える構成は、一般に、3トランジスタ構成と呼ばれている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。 Fig. 16 is a circuit diagram showing the configuration of a pixel using a photoelectric film. The pixel 100 shown in Fig. 16 is provided with a reset transistor M0 that resets the photoelectric film 110 to a predetermined voltage, a capacitance CH that stores the photocurrent flowing through the photoelectric film 110 as charge, a transistor M1 that forms a source follower, and a transistor M2 that selects a pixel and selectively outputs a voltage proportional to the stored charge to a common signal line D via the source follower. A configuration having three transistors as shown in Fig. 16 is generally called a three-transistor configuration (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

図17は図16に示す画素100を用いたイメージセンサの構成例を示すブロック図である。図17に示すイメージセンサでは、画素100が行方向及び列方向に2次元的に配置されており、各画素100は垂直走査回路101によって行毎に制御され、順次信号が取り出される。そして、選択された各行の画素100の信号は、複数のA/D変換器102においてデジタル値に変換される。 Figure 17 is a block diagram showing an example configuration of an image sensor using the pixels 100 shown in Figure 16. In the image sensor shown in Figure 17, the pixels 100 are arranged two-dimensionally in the row and column directions, and each pixel 100 is controlled row by row by a vertical scanning circuit 101, and signals are extracted sequentially. The signals of the pixels 100 in each selected row are then converted into digital values by multiple A/D converters 102.

特開2000-165760号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-165760

黒田隆男著、「イメージセンサの本質と基礎」、コロナ社、2012年12月21日、p.96~110Takao Kuroda, "The Essence and Fundamentals of Image Sensors," Corona Publishing, December 21, 2012, pp. 96-110

しかしながら、前述した従来の3トランジスタ構成の画素には、効果的な相関二重サンプリングを行い難く、ノイズが大きいという課題がある。 However, the conventional three-transistor pixel configuration mentioned above has the problem that it is difficult to perform effective correlated double sampling and produces a lot of noise.

図18は画素100内においてトランジスタMによるソースフォロアでバッファーされる容量Cの端子電圧Vを示す波形図である。図18において破線で囲んだ部分は画素信号の読出し期間を示している。図18に示すように、初めにリセット信号RSTが”H”になり、トランジスタMによって容量Cの端子電圧Vはリセット電圧VRST(n-m)になる。ここで、nは信号を読み出す行の番号、mは行数で表した露光時間である。このリセット電圧VRST(n-m)は、トランジスタMのしきい値電圧をVTH0、電源電圧をVDDとし、下記数式1で表される。 FIG. 18 is a waveform diagram showing the terminal voltage V RST of the capacitance C H buffered by a source follower formed by the transistor M1 in the pixel 100. In FIG. 18, the portion surrounded by a dashed line indicates the readout period of the pixel signal. As shown in FIG. 18, the reset signal RST first goes "H", and the terminal voltage V RST of the capacitance C H becomes a reset voltage V RST(n-m) due to the transistor M0 . Here, n is the row number from which the signal is read out, and m is the exposure time expressed in terms of the number of rows. This reset voltage V RST(n-m) is expressed by the following equation 1, where V TH0 is the threshold voltage of the transistor M0 and V DD is the power supply voltage.

次に、リセット信号RSTを”L”にしてトランジスタMをオフにすると、リセットを解除した後の露光の起点となる電圧VSTD(n-m)は、下記数式2で表される。なお、下記数式2に示すVn(n-m)は、容量Cに関するkT/Cノイズとスイッチのフィードスルーに起因するオフセット電圧を含むノイズ電圧である。 Next, when the reset signal RST is set to "L" to turn off the transistor M0 , the voltage V STD(n-m) that becomes the starting point of exposure after the reset is released is expressed by the following formula 2. Note that V n(n-m) shown in the following formula 2 is a noise voltage that includes kT/C noise related to the capacitance C H and an offset voltage due to switch feedthrough.

露光が開始されると、読み出し時の端子電圧VSIG(n)は、電圧VSTD(n-m)を起点とし、光により励起された電流をI、保持容量をC、1水平期間をTとして、下記数式3で表される。 When exposure begins, the terminal voltage V SIG(n) during readout is expressed by the following equation 3, starting from the voltage V STD(n-m) , where I p is the current excited by light, C H is the storage capacitance, and T H is one horizontal period.

次に、信号を読み出した後、リセット信号RSTを”H”にすると、端子電圧Vは、上記数式1に示す電圧となるため、下記数式4で表される。 Next, after reading out the signal, when the reset signal RST is set to "H", the terminal voltage VG becomes the voltage shown in the above formula 1, and is therefore expressed by the following formula 4.

そこで、上記数式3で表される電圧VSIG(n)から、上記数式4で表される電圧VRST(n)を引いて求められる出力電圧VCDS(n)は、下記数式5で表される。 Therefore, the output voltage V CDS(n) obtained by subtracting the voltage V RST(n) expressed by the above formula 4 from the voltage V SIG(n) expressed by the above formula 3 is expressed by the following formula 5.

上記数式5に示すMOSトランジスタMの電圧VTHは、キャンセルされて得られた信号に現れないので、トランジスタのしきい値電圧バラツキの影響を受けないようにすることができる。同様に、信号線Dの電圧をA/D変換するときには、トランジスタMで構成されるソースフォロアを介して読み出されるので、そのゲートソース間電圧をVGS1とすると、読出し電圧はこの電圧の影響を受けるが、信号電圧VSIG(n)と信号電圧VRST(n)は読出し時間の差が短いので、この間電圧VGS1は殆ど変化がないものと考えられる。このため、電圧VGS1は相関二重サンプリング(CDS)によりキャンセルされて、影響は殆ど現れない。 The voltage VTH of the MOS transistor M0 shown in the above equation 5 does not appear in the signal obtained after cancellation, so it is possible to avoid the influence of variations in the threshold voltage of the transistor. Similarly, when the voltage of the signal line D is A/D converted, it is read out via a source follower formed by the transistor M1 , and if the gate-to-source voltage is VGS1 , the readout voltage is influenced by this voltage. However, since the difference in readout time between the signal voltage V SIG(n) and the signal voltage V RST(n) is short, it is thought that the voltage VGS1 changes very little during this time. For this reason, the voltage VGS1 is cancelled out by correlated double sampling (CDS), and its influence is very little.

しかしながら、上記数式5に示すように、従来の3トランジスタ構成の画素では、リセット信号RSTを”L”にしてリセットを解除したときに誘起されるノイズVn(n-m)を除去することはできない。このため、従来の3トランジスタ構成の画素を備えるイメージセンサは、ノイズが多く、特に光が弱い時にSNR(Signal to Noise Ratio)が低下して画質劣化を生じるという大きな課題がある。 However, as shown in the above formula 5, a pixel having a conventional three-transistor configuration cannot remove the noise Vn (n-m) that is induced when the reset signal RST is set to "L" to release the reset. For this reason, image sensors having pixels having a conventional three-transistor configuration have a major problem in that they are noisy, and the SNR (Signal to Noise Ratio) decreases, particularly in weak light, resulting in degradation of image quality.

そこで、本発明は、画素が3トランジスタ構成であっても、低ノイズ及び低電力で動作するイメージセンサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an image sensor that operates with low noise and low power consumption even when the pixel has a three-transistor configuration.

本発明者は、前述した課題を解決するためにCMOSイメージセンサの信号読出しについて検討を行い、従来のように露光後の蓄積容量の信号電圧とリセット電圧間の電圧差分をとって相関二重サンプリングを行うだけでなく、露光開始前のリセット信号とリセット解除直後の蓄積容量の電圧間の電圧差分をとった相関二重サンプリングを行い、これら2つの相関二重サンプリング信号間の差分を求めることで、ノイズやトランジスタのしきい値ドリフトの影響をキャンセルできることを見出し、本発明に至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors investigated signal readout from CMOS image sensors and discovered that, rather than simply performing correlated double sampling by taking the voltage difference between the signal voltage of the storage capacitor after exposure and the reset voltage as in the past, correlated double sampling can be performed by taking the voltage difference between the reset signal before exposure begins and the voltage of the storage capacitor immediately after reset is released, and by calculating the difference between these two correlated double sampling signals, it is possible to cancel out the effects of noise and transistor threshold drift, leading to the present invention.

即ち、本発明に係るイメージセンサは、行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、特定行の画素を選択する垂直走査回路と、前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部とを有するものであり、
前記画素は、光信号を電流に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部とを備え、
前記制御部は、(1)前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、(2)前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、(3)前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、(4)前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作を制御する。
That is, the image sensor according to the present invention comprises a plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions, a vertical scanning circuit that selects pixels in a specific row, a plurality of analog-to-digital converters that perform analog-to-digital conversion in column-parallel on signals from each pixel in the row selected by the vertical scanning circuit, and a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and the analog-to-digital converters,
The pixel includes a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a current, a capacitance that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage, a reset unit that resets the capacitance to a predetermined voltage, and a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitance as an input,
The control unit controls: (1) a first reset operation in which, in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit, the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage and then releases the reset; (2) an operation in which the analog-to-digital converter converts the difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel of the specific row and the voltage at the time of the reset release into a digital value and stores the value in memory as a reference signal value; (3) an operation in which, after a certain exposure time has elapsed since the reset release, the control unit performs a second reset operation, converting the difference between the voltage extracted by the voltage buffer unit just before the second reset operation and the voltage at the time of the second reset into a digital value and using the analog-to-digital converter as an accumulation signal value; and (4) an operation in which the difference value between the reference signal value stored in memory and the accumulation signal value is output as an analog-to-digital conversion value of the pixel signal.

また、本発明に係るイメージセンシング方法は、行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、特定行の画素を選択する垂直走査回路と、前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部とを有し、前記画素が、光信号を電流に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部とを備えるイメージセンサによりイメージセンシングを行う方法であって、
前記垂直走査回路により選択された特定行の画素について、前記リセット部により第1のリセット動作を行い、前記画素の容量を所定の電圧にリセットした後で該セットを解除する工程と、
前記電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する工程と、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とし、前記メモリに入力された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を画素信号のアナログ・デジタル変換値とする工程と
を行う。
Furthermore, an image sensing method according to the present invention is a method of performing image sensing using an image sensor having a plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions, a vertical scanning circuit that selects pixels in a specific row, a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from each pixel in the row selected by the vertical scanning circuit, and a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and the analog-to-digital converters, wherein the pixels each include a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a current, a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage, a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage, and a voltage buffer unit that receives as input the voltage of the capacitor,
a step of performing a first reset operation by the reset unit for pixels in a specific row selected by the vertical scanning circuit, resetting capacitances of the pixels to a predetermined voltage, and then releasing the set state;
converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
A second reset operation is performed after a certain exposure time has elapsed since the reset release, and the difference between the voltage immediately before the second reset operation extracted by the voltage buffer unit and the voltage at the time of the second reset is converted into a digital value by the analog-to-digital converter, and this value is used as an accumulation signal value, and the difference value between the reference signal value input to the memory and the accumulation signal value is used as an analog-to-digital conversion value of the pixel signal.

本発明によれば、3トランジスタ構成の画素であっても、リセットノイズやトランジスタのしきい値電圧のドリフトをキャンセルできるため、ノイズの少ない高画質のイメージセンサを実現できる。 According to the present invention, even in a pixel having a three-transistor configuration, reset noise and drift in the threshold voltage of the transistors can be canceled, so that a high-quality image sensor with less noise can be realized.

本発明の実施形態のイメージセンサの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of an image sensor according to an embodiment of the present invention; 図1に示すイメージセンサ1の画素10内の信号電圧を示す波形図である。2 is a waveform diagram showing a signal voltage in a pixel 10 of the image sensor 1 shown in FIG. 1. リセット信号RST、選択信号SEL及びアナログ・デジタル変換信号の出力タイミングを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing output timings of a reset signal RST, a selection signal SEL, and an analog-to-digital conversion signal. メモリ13を用いた相関二重サンプリング方法を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a correlated double sampling method using a memory 13. 各行の画素10から信号が出力されるタイミングを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the timing at which signals are output from the pixels 10 in each row. A/D変換器12に用いられる差動増幅器の構成を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing the configuration of a differential amplifier used in the A/D converter 12. FIG. 図6に示す差動増幅器20を比較器として用いた時間領域のA/D変換器の構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a time domain A/D converter using the differential amplifier 20 shown in FIG. 6 as a comparator. A~Dは第1のA/D変換方法を示す回路図である。1A to 1D are circuit diagrams showing a first A/D conversion method. A~Fは第2のA/D変換方法を示す回路図である。AF are circuit diagrams showing a second A/D conversion method. A~Fは第3のA/D変換方法を示す回路図である。AF are circuit diagrams showing a third A/D conversion method. Aは第3のA/D変換方法を示す回路図であり、BはAの動作時の信号と参照電圧VR2の関係を示す波形図である。10A is a circuit diagram showing a third A/D conversion method, and FIG. 10B is a waveform diagram showing the relationship between the signal and the reference voltage V R2 during operation of A. A~Cは第4のA/D変換方法を示す回路図である。10A to 10C are circuit diagrams showing a fourth A/D conversion method. A~Cは第4のA/D変換方法を示す回路図である。10A to 10C are circuit diagrams showing a fourth A/D conversion method. A~Dは第5のA/D変換方法を示す回路図である。5A to 5D are circuit diagrams showing a fifth A/D conversion method. A~Cは第5のA/D変換方法を示す回路図である。10A to 10C are circuit diagrams showing a fifth A/D conversion method. 光電膜を用いた画素の構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a pixel using a photoelectric film. 図16に示す画素100を用いたイメージセンサの構成例を示すブロック図である。FIG. 17 is a block diagram showing an example of the configuration of an image sensor using the pixel 100 shown in FIG. 16. 画素100内においてトランジスタMによるソースフォロアでバッファーされる容量Cの端子電圧Vを示す波形図である。10 is a waveform diagram showing the terminal voltage V G of the capacitance C H buffered by a source follower formed by the transistor M 1 in the pixel 100. FIG.

以下,発明を実施するための形態について,添付の図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the invention, using the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.

図1は本発明の実施形態に係るイメージセンサの構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態のイメージセンサ1は、複数の画素10と、特定行の画素を選択する垂直走査回路11と、垂直走査回路11により選択された行の各画素10からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のA/D変換器12と、A/D変換器12からの出力信号を記憶するメモリ13と、画素10、垂直走査回路11及びアナログ・デジタル変換器12を制御する制御部14を備えている。 Figure 1 is a block diagram showing the configuration of an image sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the image sensor 1 of this embodiment includes a plurality of pixels 10, a vertical scanning circuit 11 that selects pixels in a specific row, a plurality of A/D converters 12 that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from each pixel 10 in the row selected by the vertical scanning circuit 11, a memory 13 that stores output signals from the A/D converters 12, and a control unit 14 that controls the pixels 10, vertical scanning circuit 11, and analog-to-digital converters 12.

画素10には、光信号を電流に変換する光電変換素子と、光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、容量の電圧を入力とする電圧バッファー部とが設けられている。そして、リセット部及び電圧バッファー部は、例えばMOSトランジスタで構成することができる。なお、リセット部及び電圧バッファー部は、いずれか一方のみMOSトランジスタで構成されていてもよく、また、両方がMOSトランジスタで構成されていてもよい。 The pixel 10 is provided with a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a current, a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage, a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage, and a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input. The reset unit and voltage buffer unit can be composed of, for example, MOS transistors. Note that either the reset unit or the voltage buffer unit may be composed of a MOS transistor, or both may be composed of MOS transistors.

本実施形態のイメージセンサ1では、複数の画素10が行方向及び列方向に2次元的に配置されており、各画素10は垂直走査回路11によって行毎に制御され、順次信号が取り出される。そして、選択された各行の画素10の信号は、A/D変換器12においてデジタル値に変換され、A/D変換器12からの出力信号は一旦メモリ13に保存され、任意のタイミングのA/D変換器12の出力信号との差分がとられ、変換出力信号として出力される。 In the image sensor 1 of this embodiment, multiple pixels 10 are arranged two-dimensionally in the row and column directions, and each pixel 10 is controlled row by row by a vertical scanning circuit 11, and signals are extracted sequentially. The signals from the pixels 10 in each selected row are then converted to digital values by an A/D converter 12, and the output signal from the A/D converter 12 is temporarily stored in memory 13. The difference with the output signal from the A/D converter 12 at any given time is calculated and output as a converted output signal.

その際、制御部14によって、以下に示す(1)~(4)の動作が制御される。
(1)垂直走査回路11によって選択された特定行の各画素10において、リセット部により容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作。
(2)特定行の各画素10の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧とリセット解除時の電圧との差を、A/D変換器12によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリ13に記憶する動作。
(3)リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と第2のリセット時の電圧との差を、A/D変換器12によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作。
(4)メモリ13に記憶された基準信号値と前述した蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作。
At this time, the control unit 14 controls the following operations (1) to (4).
(1) A first reset operation in which, in each pixel 10 in a specific row selected by the vertical scanning circuit 11, the capacitance is reset to a predetermined voltage by the reset unit, and then the reset is released.
(2) The difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel 10 in a specific row and the voltage at the time of reset release is converted into a digital value by the A/D converter 12, and the value is stored in the memory 13 as a reference signal value.
(3) After a certain exposure time has elapsed since the reset was released, a second reset operation is performed, and the difference between the voltage immediately before the second reset operation extracted by the voltage buffer unit and the voltage at the time of the second reset is converted into a digital value by the A/D converter 12, and this value is used as the accumulation signal value.
(4) An operation of outputting the difference value between the reference signal value stored in the memory 13 and the aforementioned accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal.

[動作]
図2は図1に示すイメージセンサ1の画素10内の信号電圧を示す波形図である。図2は、画素10内でトランジスタMによるソースフォロアでバッファーされた電荷蓄積容量Cの端子電圧Vを示しており、破線で示した時間範囲は、トランジスタMの制御に用いられる画素10から共通信号線への電圧伝送期間(画素信号選択期間)である。
[Operation]
Fig. 2 is a waveform diagram showing a signal voltage in pixel 10 of image sensor 1 shown in Fig. 1. Fig. 2 shows the terminal voltage VG of charge storage capacitance CH buffered by a source follower using transistor M1 in pixel 10, and the time range shown by the dashed line is the voltage transmission period (pixel signal selection period) from pixel 10 to the common signal line used to control transistor M3 .

図2に示すように、本実施形態のイメージセンサ1では、先ず、露光を開始するための第1のリセットにおいてリセットパルスRSTが”H”になり、トランジスタMにより端子電圧Vはリセット電圧VRST(n-m)になる。ここで、nは信号を読み出す行の番号であり、mは行数で表した露光時間である。このリセット電圧VRST(n-m)は、トランジスタMのしきい値電圧VTH(n-m)、電源電圧VDDから、下記数式6で表される。 2, in the image sensor 1 of this embodiment, first, in the first reset to start exposure, the reset pulse RST goes to "H", and the terminal voltage V G becomes a reset voltage V RST(n-m) due to the transistor M0 . Here, n is the number of the row from which the signal is read out, and m is the exposure time expressed in terms of the number of rows. This reset voltage V RST(n-m) is expressed by the following equation 6 using the threshold voltage V TH(n-m) of the transistor M0 and the power supply voltage V DD .

次に、リセット信号RSTを”L”にしてトランジスタMをオフし、リセットを解除すると、露光の起点となる電圧VSTD(n-m)は、従来と同様に、スイッチのフィードスルーによるオフセット電圧と容量Cに関するkT/Cノイズを合わせてノイズ電圧Vn(n-m)として、下記数式7で表される。 Next, when the reset signal RST is set to "L" to turn off the transistor M0 and release the reset, the voltage V STD(n-m) that is the starting point of exposure is expressed as the noise voltage V n(n-m) , which is the sum of the offset voltage due to switch feedthrough and the kT/C noise related to the capacitance C H , as in the conventional case, by the following equation 7:

本実施形態のイメージセンサ1では、この2つの信号をA/D変換するが、その際、トランジスタMのゲートソース間電圧VGSだけ電圧がシフトするため、この効果を加味してこれらの電圧は、下記数式8及び下記数式9で表される。 In the image sensor 1 of this embodiment, these two signals are A/D converted. At that time, the voltages are shifted by the gate-source voltage VGS of the transistor M1 . Taking this effect into consideration, these voltages are expressed by the following formulas 8 and 9.

そして、下記数式10に示すように、上記数式8及び数式9で表される2つの信号の差分をとると、ノイズ電圧Vn(n-m)だけが残る。 Then, as shown in the following Equation 10, when the difference between the two signals expressed by Equations 8 and 9 is taken, only the noise voltage V n(n−m) remains.

本実施形態のイメージセンサ1では、このノイズ電圧Vn(n-m)を表すA/D変換値をメモリ13に保存する。 In the image sensor 1 of this embodiment, the A/D converted value representing this noise voltage V n(n−m) is stored in the memory 13 .

露光時間が経過すると、画素10内の端子電圧Vは、光により励起された電流により徐々に低下する。定められた露光時間が経過した後、画素選択信号SELを”H”にしてトランジスタMをオンにし、ソースフォロワを介して共通信号線Dに端子電圧Vを出力させる。このときのA/D変換器12の入力電圧VSIG(n)_ADCは、光により励起された電流をI、1水平期間をT、ソースフォロワのゲートソース電圧をVGS(n)として、下記数式11で表される。 As the exposure time elapses, the terminal voltage V G in the pixel 10 gradually decreases due to the current excited by light. After the specified exposure time has elapsed, the pixel selection signal SEL is set to "H" to turn on the transistor M2 , causing the terminal voltage V G to be output to the common signal line D via the source follower. The input voltage V SIG(n)_ADC of the A/D converter 12 at this time is expressed by the following equation 11, where I p is the current excited by light, T H is one horizontal period, and V GS(n) is the gate-source voltage of the source follower.

次に、露光を終了するための第2のリセットにおいてリセット信号RSTを”H”にすると、A/D変換器12の入力電圧VRST(n)_ADCは、下記数式12で表される。 Next, when the reset signal RST is set to "H" in the second reset for ending the exposure, the input voltage V RST(n)_ADC of the A/D converter 12 is expressed by the following equation 12.

そして、上記数式11で表される入力電圧VSIG(n)_ADCから上記数式12で表される入力電圧VRST(n)_ADCを引いた出力電圧VSIG(n)_CDSは、下記数式13で表される。 The output voltage V SIG(n) — CDS obtained by subtracting the input voltage V RST(n) — ADC expressed by the above Equation 12 from the input voltage V SIG(n)ADC expressed by the above Equation 11 is expressed by the following Equation 13.

ここで、しきい値電圧VTHの変動は殆ど生じないか、又は、しきい値電圧をデプレションにするとしきい値電圧はA/D変換器12の入力電圧に殆ど変動を与えないと考えられるので、上記数式13は、下記数式14で表される。 Here, it is considered that there is almost no fluctuation in the threshold voltage VTH , or that if the threshold voltage is depleted, the threshold voltage causes almost no fluctuation in the input voltage of the A/D converter 12, and therefore, the above formula 13 can be expressed as the following formula 14.

その後、メモリ13に保存している電圧VSTD(n-m)_CDSを読出し、その差分を取った電圧をVSIG(n)_DCDSとすると、下記数式15に示すように、ノイズがキャンセルされ、純粋に光による信号だけを取り出すことができる。 Thereafter, the voltage V STD(n-m)_CDS stored in memory 13 is read out, and the voltage obtained by taking the difference therebetween is defined as V SIG(n)_DCDS . As shown in the following formula 15, the noise is cancelled out, and only the signal due to light can be extracted.

図3はリセット信号RST、選択信号SEL及びアナログ・デジタル変換信号の出力タイミングを示す図である。図3に示すように、本実施形態のイメージセンサ1の場合、先ず(n-1-m)行の第1のリセット信号RST(n-1-m)が”H”となり、やや遅れて(n-1-m)行の選択信号SEL(n-1-m)が”H”となる。第1のリセット信号RST(n-1-m)が”L”となっても、リセット解除後の信号をA/D変換する必要があるため、しばらくは”H”の状態が継続してから”L”になる。そして、少し間隔を空けて(n-m)行のリセット信号RST(n-m)が”H”となり、やや遅れて(n-m)行の選択信号SEL(n-m)が”H”となることを繰り返し、順次行をシフトさせていく。 Figure 3 shows the output timing of the reset signal RST, selection signal SEL, and analog-to-digital conversion signal. As shown in Figure 3, in the image sensor 1 of this embodiment, the first reset signal RST(n-1-m) for row (n-1-m) first goes "H," and then, a short time later, the selection signal SEL(n-1-m) for row (n-1-m) goes "H." Even after the first reset signal RST(n-1-m) goes "L," the signal after reset must be A/D converted, so it remains "H" for a while before going "L." Then, after a short interval, the reset signal RST(n-m) for row (n-m) goes "H," and a short time later the selection signal SEL(n-m) for row (n-m) goes "H," and this process is repeated to sequentially shift the rows.

m行で示される露光時間が経った場合は、初めに選択信号SEL(n-1)が”H”となり、光により励起された電流が蓄積されている信号電圧VSIG(n-1)を取りだし、A/D変換後に第2のリセット信号RST(n-1)が”H”となる。そして、リセット信号VRST(n-1)がA/D変換された後、選択信号SEL(n-1)が”L”になる。次に、少し間隔を空けてn行の選択信号SEL(n)が”H”となり、やや遅れてn行のリセット信号RST(n)が”H”となり、順次行をシフトさせていく。A/D変換信号は、相関二重サンプリング(CDS)が取られた基準信号STD_CDSと、相関二重サンプリング(CDS)が取られた画素信号SIG_CDSを交互に発生させるようになっている。 When the exposure time indicated by row m has elapsed, the selection signal SEL(n-1) first goes "H," extracting the signal voltage V SIG(n-1) in which current excited by light has accumulated, and after A/D conversion, the second reset signal RST(n-1) goes "H." Then, after the reset signal V RST(n-1) is A/D converted, the selection signal SEL(n-1) goes "L." Next, after a short interval, the selection signal SEL(n) for row n goes "H," and after a slight delay, the reset signal RST(n) for row n goes "H," shifting the rows sequentially. The A/D conversion signals alternately generate a reference signal STD_CDS obtained by correlated double sampling ( CDS ) and a pixel signal SIG_CDS obtained by correlated double sampling ( CDS ).

図4はメモリ13を用いた相関二重サンプリング方法を示す図である。図4に示すように、相関二重サンプリング(CDS)が取られた基準信号STD_CDSは、メモリ13に記憶され、相関二重サンプリング(CDS)が取られた画素信号SIG_CDSの発生タイミングで読み出される。そして、画素信号SIG_CDSと基準信号STD_CDSとの差分が取られ、最終的な相関二重サンプリング(CDS)が行われることでノイズが除去されて最終変換出力となる。 4 is a diagram showing a correlated double sampling method using memory 13. As shown in Fig. 4, a reference signal STD_CDS that has been subjected to correlated double sampling (CDS) is stored in memory 13 and is read out at the timing of generation of a pixel signal SIG_CDS that has been subjected to correlated double sampling (CDS). Then, a difference is taken between the pixel signal SIG_CDS and the reference signal STD_CDS , and a final correlated double sampling (CDS) is performed to remove noise and produce a final converted output.

図5は各行の画素10から信号が出力されるタイミングを示す図である。図5に示すように、本実施形態のイメージセンサ1では、1水平期間の最初の1/4水平期間で第1リセット電圧が共通ラインに出力され、次の1/4水平期間で基準電圧が共通ラインに出力される。 Figure 5 shows the timing at which signals are output from the pixels 10 in each row. As shown in Figure 5, in the image sensor 1 of this embodiment, a first reset voltage is output to the common line during the first 1/4 horizontal period of one horizontal period, and a reference voltage is output to the common line during the next 1/4 horizontal period.

その後、露光期間になり、所定の露光期間が終了すると(図4では2水平期間に設定)、後半の1/4水平期間で容量に蓄積された光電流による信号電圧が共通ラインに出力され、1/4水平期間で第2のリセット電圧が共通ラインに出力される。このように、本実施形態のイメージセンサ1では、各信号が重なりあうことがないよう、1水平期間では、第1リセット電圧、基準電圧、光電流による信号電圧及び第2のリセット電圧の順に、1/4水平期間単位で共通ラインに出力されるようになっている。 Then, the exposure period begins, and when the specified exposure period ends (set to two horizontal periods in Figure 4), the signal voltage due to the photocurrent accumulated in the capacitor is output to the common line during the latter 1/4 horizontal period, and the second reset voltage is output to the common line during the latter 1/4 horizontal period. In this way, in the image sensor 1 of this embodiment, the first reset voltage, reference voltage, signal voltage due to the photocurrent, and second reset voltage are output to the common line in 1/4 horizontal period units in this order during one horizontal period to prevent the signals from overlapping.

[A/D変換器12]
次に、前述した動作を実現するためのA/D変換器12について説明する。図6は図1に示すA/D変換器12に用いられる差動増幅器の構成を示す回路図である。図6に示す作動増幅器20において、トランジスタM1a,M1bは差動入力電圧を差動電流に変換する差動対であり、トランジスタM2a,M2bは差動電流を出力電圧に変換するカレントミラーを構成し、差動入力電圧が増幅されて出力電圧として現れる。
[A/D converter 12]
Next, the A/D converter 12 for realizing the above-mentioned operation will be described. Fig. 6 is a circuit diagram showing the configuration of a differential amplifier used in the A/D converter 12 shown in Fig. 1. In the differential amplifier 20 shown in Fig. 6, transistors M1a and M1b form a differential pair that converts a differential input voltage into a differential current, and transistors M2a and M2b form a current mirror that converts the differential current into an output voltage, and the differential input voltage is amplified and appears as an output voltage.

トランジスタMは、差動対のバイアス電流を与えるトランジスタであり、電圧Vはそのバイアス電圧である。差動増幅器20の入出力端間には、それぞれスイッチSが設けられている。信号入力端IN,INと差動増幅器20の出力端間には、一対の容量Cが設けられている。 The transistor M0 provides a bias current for the differential pair, and the voltage VB is its bias voltage. A switch S1 is provided between the input and output terminals of the differential amplifier 20. A pair of capacitors Cs is provided between the signal input terminals INa and INb and the output terminal of the differential amplifier 20.

図7は図6に示す差動増幅器20を比較器として用いた時間領域のA/D変換器の構成を示すブロック図である。図7に示すように、差動増幅器20は、信号入力端IN,IN間の差動電圧を増幅して出力端にその増幅信号を発生させる。カウンター21は、クロックをカウントして時間情報を更新し、差動増幅器20の出力信号がカウンター21の停止信号となり、停止信号が出現した瞬間の時間情報がカウンター21に記憶される。 Fig. 7 is a block diagram showing the configuration of a time domain A/D converter using the differential amplifier 20 shown in Fig. 6 as a comparator. As shown in Fig. 7, the differential amplifier 20 amplifies the differential voltage between signal input terminals IN a and IN b and generates the amplified signal at the output terminal. The counter 21 counts clocks to update time information, and the output signal of the differential amplifier 20 serves as a stop signal for the counter 21, and the time information at the moment the stop signal appears is stored in the counter 21.

本実施形態のイメージセンサ1では、カウンター21以外にも、時間的に変化するコードを入力し、停止信号が出現した瞬間のコードをラッチする時間デジタル変換器を用いて時間情報を得てもよい。カウンター21の出力は、そのままA/D変換信号となることが多いが、図7に示すように累積加算器22を用い、複数の時間情報が累積加算器22に入力されて累積加算され、得られた平均値をA/D変換信号として出力することもできる。 In the image sensor 1 of this embodiment, time information can be obtained using a time-to-digital converter other than the counter 21, which inputs a time-varying code and latches the code at the moment the stop signal appears. The output of the counter 21 is often directly converted into an A/D converted signal, but as shown in Figure 7, a cumulative adder 22 can also be used, where multiple pieces of time information are input to the cumulative adder 22, which then accumulates and adds them, and the resulting average value is output as an A/D converted signal.

図7に示す時間領域のA/D変換器は、差動増幅器20の各スイッチSの制御と入力端IN,INへの電圧の与え方により、以下に述べるように多くの特徴をもったイメージセンサを実現することができる。 The time domain A/D converter shown in FIG. 7 can realize an image sensor with many features, as will be described below, by controlling each switch S1 of the differential amplifier 20 and applying voltages to the input terminals IN a and IN b .

<第1のA/D変換方法>
図8A~Dは第1のA/D変換方法を示す回路図である。第1のA/D変換方法では、先ず、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1のサンプリングを行う。具体的には、図8Aに示すように、第1の信号入力端INにリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1を印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR01を印加し、スイッチSを閉じる。このとき、容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、下記数式16で表される。
<First A/D conversion method>
8A to 8D are circuit diagrams showing a first A/D conversion method. In the first A/D conversion method, first, sampling is performed on the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset. Specifically, as shown in FIG. 8A, the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal INa , and a reference voltage VRO1 serving as a reference is applied to the second signal input terminal INb , and the switch S1 is closed. At this time, the voltage between the terminals of the capacitors Csa and Csb is expressed by the following equation 16, where Vc is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、リセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDとリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1の変換を行う。具体的には、図8Bに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INにリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDを印加すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR1を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。このときの電圧V及び電圧Vは、上記数式16を用いて、下記数式17で表される。 Next, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release and the voltage V RST1 appearing on the common signal line during reset are converted. Specifically, as shown in Fig. 8B, the switch S1 is opened, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R1 whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal IN b , and the voltages Va and V b appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. The voltages Va and V b at this time are expressed by the following equation 17 using the above equation 16.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式18で表されるため、リセット解除後の電圧VSTDは、リセット電圧VRST1との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号が被変換信号となる。そして、この相関二重サンプリング(CDS)された信号は、A/D変換されてデジタル値となり、メモリ13に記憶される。 The input voltage condition under which the output voltage changes is expressed by the following formula 18, so the difference between the reset voltage V STD and the reset voltage V RST1 after reset is taken, and the signal obtained by correlated double sampling (CDS) becomes the converted signal. This correlated double sampled (CDS) signal is then A/D converted into a digital value and stored in the memory 13.

次に、一定の露光時間が経過した後、信号サンプリングを行う。具体的には、図8Cに示すように、第1の信号入力端INに、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGを印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR02を印加し、スイッチSを閉じる。このとき、容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、下記数式19で表される。 Next, after a certain exposure time has elapsed, signal sampling is performed. Specifically, as shown in Fig. 8C, the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R02 serving as a reference is applied to the second signal input terminal IN b , and the switch S 1 is closed. At this time, the voltage between the terminals of the capacitances C sa and C sb is expressed by the following equation 19, where V c is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGと第2のリセット時に共通信号線に現れる電圧VRST2の差分の変換を行う。具体的には、図8Dに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INに第2のリセット時に共通信号線に現れる電圧VRST2を印加すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。このときの電圧V及び電圧Vは、上記数式19を用いて、下記数式20で表される。 Next, the difference between the voltage V SIG of the storage capacitor appearing on the common signal line via the source follower and the voltage V RST2 appearing on the common signal line during the second reset is converted. Specifically, as shown in Fig. 8D, the switch S1 is opened, the voltage V RST2 appearing on the common signal line during the second reset is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R2 whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal IN b , and the voltages Va and V b appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. The voltages Va and V b at this time are expressed by the following equation 20 using the above equation 19.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式21で表されるため、第2のリセット直前の信号電圧VSIGは、第2のリセット電圧VRST2との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号が被変換信号となる。そして、このCDSされた信号は、A/D変換されてデジタル値となり、図8Bに示すA/D変換動作時にメモリ13に記憶されたデータを読出し、その差分が取られて最終的な画素信号のA/D変換値となる。 Since the input voltage condition under which the output voltage changes is expressed by the following equation 21, the difference between the signal voltage V SIG immediately before the second reset and the second reset voltage V RST2 is taken, and the signal that has been subjected to correlated double sampling (CDS) becomes the converted signal. This CDS-subjected signal is then A/D converted to a digital value, and the data stored in memory 13 during the A/D conversion operation shown in FIG. 8B is read out, and the difference is taken to become the final A/D-converted value of the pixel signal.

前述した第1のA/D変換方法は、容量にサンプリングされたアナログ電圧を用いて相関二重サンプリング(CDS)を行うため、A/D変換は2回で済み、しかも図8Bに示すA/D変換では、第1のリセット電圧とリセット解除の後電圧の差は極めて小さいと考えられるため、A/D変換に要する時間を短くすることができる。よって、この方法は、変換時間の短縮に有効である。 The first A/D conversion method described above performs correlated double sampling (CDS) using the analog voltage sampled on a capacitor, so only two A/D conversions are required. Furthermore, in the A/D conversion shown in Figure 8B, the difference between the first reset voltage and the voltage after reset is released is considered to be extremely small, so the time required for A/D conversion can be shortened. Therefore, this method is effective in shortening conversion time.

<第2のA/D変換方法>
図9A~Fは第2のA/D変換方法を示す回路図である。第2のA/D変換方法では、先ず、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1のサンプリングを行う。具体的には、図9Aに示すように、第1の信号入力端INにリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1を印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR01を印加し、スイッチSを閉じる。このときの容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、前述した数式16で表される。
<Second A/D Conversion Method>
9A to 9F are circuit diagrams illustrating a second A/D conversion method. In the second A/D conversion method, first, sampling is performed on the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset. Specifically, as shown in FIG. 9A, the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal INa , and a reference voltage VRO1 serving as a reference is applied to the second signal input terminal INb , and the switch S1 is closed. At this time, the voltage between the terminals of the capacitances Csa and Csb is expressed by the aforementioned Equation 16, where Vc is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、比較器20のオフセットとノイズの変換を行う。具体的には、図9Bに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INには電圧VRST1の印加を継続すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR1を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。スイッチSを開くと、スイッチパルスのフィードスルーによるオフセット電圧や容量Csa,CsbによるkT/Cノイズが発生する。これらの非理想電圧が端子aに現れたと仮定してΔVと置くと、電圧V及び電圧Vは下記数式22で表される。 Next, the offset and noise of the comparator 20 are converted. Specifically, as shown in FIG. 9B , the switch S1 is opened, and the voltage VRST1 continues to be applied to the first signal input terminal INa , while a reference voltage VR1 , which changes in proportion to time, is applied to the second signal input terminal INb , and the voltages Va and Vb appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. When the switch S1 is opened, an offset voltage due to switch pulse feedthrough and kT/C noise due to capacitances Csa and Csb are generated. Assuming that these non-ideal voltages appear at terminal a and denoted as ΔV1 , the voltages Va and Vb can be expressed by the following equation 22:

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式23で表されるため、非理想電圧ΔVをA/D変換することができる。そこで、第2のA/D変換方法では、この変換値をレジスタなどに一時的に記憶しておく。 The input voltage condition under which the output voltage changes can be expressed by the following equation 23, so the non-ideal voltage ΔV1 can be A/D converted. Therefore, in the second A/D conversion method, this converted value is temporarily stored in a register or the like.

次に、リセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTD変換を行う。具体的には、図9Cに示すように、第1の信号入力端INにリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDを印加する。この時の電圧V及び電圧Vは、下記数式24で表される。 Next, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset is converted. Specifically, as shown in Fig. 9C, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset is applied to the first signal input terminal IN a . The voltages Va and V b at this time are expressed by the following equation 24.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式25で表されるため、リセット解除後の電圧VSTDは、リセット電圧VRST1との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。ただし、この場合、相関二重サンプリング(CDS)後の電圧に非理想電圧ΔVが印加されている。そこで、本変換方法では、レジスタに一時的に記憶された非理想電圧ΔVのA/D変換値を読出し、差分を取る。これにより、非理想電圧ΔVをキャンセルした相関二重サンプリング(CDS)を取ることができる。そして、この差分を取った値をメモリ13に入力する。 Since the input voltage conditions under which the output voltage changes are expressed by the following equation 25, the voltage V STD after reset is subtracted from the reset voltage V RST1 to convert the correlated double sampled (CDS) signal. However, in this case, a non-ideal voltage ΔV1 is applied to the voltage after correlated double sampling (CDS). Therefore, in this conversion method, the A/D converted value of the non-ideal voltage ΔV1 temporarily stored in the register is read out and the difference is calculated. This makes it possible to obtain correlated double sampling (CDS) with the non-ideal voltage ΔV1 canceled out. The value obtained by calculating this difference is then input to memory 13.

次に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGのサンプリングを行う。具体的には、一定の露光時間が経過した後、図9Dに示すように、第1の信号入力端INにソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGを印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR02を印加し、スイッチSを閉じる。このときの容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、前述した数式19で表される。 Next, the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is sampled. Specifically, after a certain exposure time has elapsed, as shown in FIG. 9D , the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R02 is applied to the second signal input terminal IN b , and the switch S 1 is closed. The voltage between the terminals of the capacitances C sa and C sb at this time is expressed by the above-mentioned equation 19, where V c is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、比較器20のオフセットとノイズの変換を行う。具体的には、図9Eに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INに電圧VSIGを継続して印加すると共に、第2の信号入力端INには時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加する。この時の電圧V及び電圧Vは、ΔVを非理想電圧として、下記数式26で表される。 Next, the offset and noise of the comparator 20 are converted. Specifically, as shown in Fig. 9E, the switch S1 is opened, and a voltage V SIG is continuously applied to the first signal input terminal IN a , while a reference voltage V R2, which varies in proportion to time, is applied to the second signal input terminal IN b . The voltages V a and V b at this time are expressed by the following equation 26, where ΔV 2 is the non-ideal voltage.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は、下記数式27で表されるため、非理想電圧ΔVをA/D変換することができる。そこで、この変換値をレジスタなどに一時的に記憶する。 The input voltage condition under which the output voltage changes can be expressed by the following formula 27, so the non-ideal voltage ΔV2 can be A/D converted. Therefore, this converted value is temporarily stored in a register or the like.

次に、信号レベルと第2のリセット電圧VRST2の相関二重サンプリング(CDS)変換を行う。具体的には、図9Fに示すように、第1の信号入力端INに第2のリセット時に共通信号線に現れる電圧VRST2を印加する。このとき、電圧V及び電圧Vは、下記数式28で表される。 Next, correlated double sampling (CDS) conversion is performed on the signal level and the second reset voltage VRST2 . Specifically, as shown in Figure 9F, the voltage VRST2 that appears on the common signal line during the second reset is applied to the first signal input terminal INa . At this time, the voltages Va and Vb are expressed by the following equation 28.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式29で表されるため、第2のリセット直前の信号電圧VSIGは、第2のリセット電圧VRST2との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。ただし、この場合、相関二重サンプリング(CDS)の電圧には、非理想電圧ΔVが印加されている。そこで、本変換方法では、レジスタに一時的に記憶された非理想電圧ΔVのA/D変換値を読出し、差分を取る。これにより、非理想電圧ΔVをキャンセルした相関二重サンプリング(CDS)を取ることができる。 Since the input voltage condition under which the output voltage changes is expressed by the following equation 29, the signal voltage V SIG immediately before the second reset is differentially calculated from the second reset voltage V RST2 , and the correlated double sampled (CDS) signal is converted. However, in this case, the non-ideal voltage ΔV2 is applied to the correlated double sampled (CDS) voltage. Therefore, in this conversion method, the A/D converted value of the non-ideal voltage ΔV2 temporarily stored in the register is read out, and the differential is calculated. This allows the correlated double sampled (CDS) signal to be obtained by canceling the non-ideal voltage ΔV2 .

この相関二重サンプリング(CDS)された電圧は、A/D変換されてデジタル値となり、図9Cに示すA/D変換動作時にメモリ13に記憶されたデータを読出し、その差分が取られて画素信号のA/D変換値となる。 This correlated double sampled (CDS) voltage is A/D converted to a digital value, and during the A/D conversion operation shown in Figure 9C, the data stored in memory 13 is read out and the difference is taken to become the A/D converted value of the pixel signal.

この第2の変換方法は、前述した第1の変換方法に比べると変換時間はやや長くなるが、比較器のスイッチフィードスルーによるオフセット電圧や比較器の容量のkT/Cノイズをキャンセルできるため、非常に高精度なA/D変換が可能となる。 This second conversion method requires a slightly longer conversion time than the first conversion method described above, but it enables highly accurate A/D conversion by canceling the offset voltage due to switch feedthrough in the comparator and the kT/C noise of the comparator capacitance.

<第3のA/D変換方法>
図10A~F及び図11Aは第3のA/D変換方法を示す回路図であり、図11Bは図11Aの動作時における信号と参照電圧VR2の関係を示す波形図である。第3のA/D変換方法では、先ず、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1のサンプリングを行う。具体的には、図10Aに示すように、第1の信号入力端INにリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1を印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR01を印加し、スイッチSを閉じる。このときの容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、前述した数式16で表される。
<Third A/D conversion method>
10A-F and 11A are circuit diagrams illustrating a third A/D conversion method, and FIG. 11B is a waveform diagram showing the relationship between the signal and reference voltage V R2 during operation of FIG. 11A. In the third A/D conversion method, first, sampling of the voltage V RST1 appearing on the common signal line at reset is performed. Specifically, as shown in FIG. 10A, the voltage V RST1 appearing on the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R01 serving as a reference is applied to the second signal input terminal IN b , and switch S 1 is closed. The voltage between the terminals of capacitances C sa and C sb at this time is expressed by the aforementioned Equation 16, where V c is the common input/output voltage of differential amplifier 20.

次に、比較器20のオフセットとノイズの変換(マルチ変換)を行う。具体的には、図10Bに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INに電圧VRST1の印加を継続すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR1を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。 Next, conversion (multi-conversion) of the offset and noise of the comparator 20 is performed. Specifically, as shown in Fig. 10B, the switch S1 is opened, voltage VRST1 is continuously applied to the first signal input terminal INa, and a reference voltage VR1 , whose voltage changes in proportion to time, is applied to the second signal input terminal INb , and voltages Va and Vb appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared.

スイッチSを開くと、スイッチパルスのフィードスルーによるオフセット電圧や容量Csa,CsbによるkT/Cノイズが発生する。これらの非理想電圧が端子aに現れたと仮定してΔVと置くと、前述した数式22及び数式23より、非理想電圧ΔVをA/D変換することができるが、第3のA/D変換方法では、図10Aに示す動作と、図10Bに示す動作を複数回交互に繰り返し、得られた複数の変換値の平均値を取りレジスタなどに一時的に記憶する。 When switch S1 is opened, an offset voltage due to switch pulse feedthrough and kT/C noise due to capacitances Csa and Csb are generated. Assuming that these non-ideal voltages appear at terminal a and denoted as ΔV1 , the non-ideal voltage ΔV1 can be A/D converted from the above-mentioned formulas 22 and 23. In the third A/D conversion method, the operation shown in Fig. 10A and the operation shown in Fig. 10B are repeated alternately multiple times, and the obtained multiple converted values are averaged and temporarily stored in a register or the like.

ただし、変換時間短縮のため、図10Aに示す動作を省略し、図10Bに示す動作を複数回行い、得られた複数の変換値の平均値を取り、レジスタなどに一時的に記憶してもよい。このようにすることで、ノイズを効果的に低減することができる。なお、理想的には、変換回数をMとすると、下記数式30に示すように、ノイズ電圧VはMの平方根に比例して減少する。 However, to shorten the conversion time, the operation shown in Fig. 10A may be omitted, and the operation shown in Fig. 10B may be performed multiple times, with the average of the resulting multiple conversion values being taken and temporarily stored in a register or the like. This can effectively reduce noise. Ideally, if the number of conversions is M, the noise voltage Vn decreases in proportion to the square root of M, as shown in the following equation 30.

次に、第1の信号入力端にリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDの変換(マルチ変換)を行う。具体的には、図10Cに示すように、第1の信号入力端INにリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDを印加する。前述した数式24及び数式25から、リセット解除後の電圧VSTDは、リセット電圧VRST1との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。 Next, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is converted (multi-conversion) at the first signal input terminal. Specifically, as shown in FIG. 10C, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is applied to the first signal input terminal IN a . From the above-described Equations 24 and 25, the voltage V STD after reset release is calculated as a difference with the reset voltage V RST1 , and the correlated double sampled (CDS) signal is converted.

本変換方法でも、参照電圧VR1を複数回掃引してA/D変換を行い、得られた複数の変換値の平均値を取ってA/D変換値とする。非理想電圧ΔVが相関二重サンプリング(CDS)後の電圧に印加されているので、レジスタに一時的に記憶された非理想電圧ΔVのA/D変換値を読出して差分を取ることにより、非理想電圧ΔVをキャンセルしたCDSを取ることができる。そして、この値をメモリ13に入力する。 In this conversion method, the reference voltage V R1 is also swept multiple times to perform A/D conversion, and the resulting multiple converted values are averaged to obtain the A/D converted value. Because the non-ideal voltage ΔV 1 is applied to the voltage after correlated double sampling (CDS), the A/D converted value of the non-ideal voltage ΔV 1 temporarily stored in the register is read out and the difference is calculated to obtain a CDS that cancels the non-ideal voltage ΔV 1. This value is then input to memory 13.

次に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGをサンプリングする。具体的には、一定の露光時間が経過した後、図10Dに示すように、第1の信号入力端INにソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGを印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR02を印加し、スイッチSを閉じる。このときの容量Csa,Csbの端子間電圧は、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、前述した数式19で表される。 Next, the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is sampled. Specifically, after a certain exposure time has elapsed, as shown in FIG. 10D , the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R02 is applied to the second signal input terminal IN b , and the switch S 1 is closed. The voltage between the terminals of the capacitances C sa and C sb at this time is expressed by the above-mentioned equation 19, where V c is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、比較器のオフセットとノイズの変換(マルチ変換)を行う。具体的には、図10Eに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INには電圧VSIGを継続して印加し、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加する。このとき、前述した数式26及び数式27から、非理想電圧ΔVをA/D変換することができる。 Next, the offset and noise of the comparator are converted (multi-conversion). Specifically, as shown in FIG. 10E, switch S1 is opened, voltage V SIG is continuously applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R2 , whose voltage varies in proportion to time, is applied to the second signal input terminal IN b . At this time, the non-ideal voltage ΔV 2 can be A/D converted using the above-mentioned Equations 26 and 27.

更に、図10Dに示す動作と図10Eに示す動作を複数回交互に繰り返し、得られた複数の変換値の平均値を取り、得られた値をA/D変換値とすることにより、効果的にノイズを低減することができる。この場合も変換時間短縮のために、図10Dに示す動作を省略し、図10Eに示す動作を複数回行って得られた複数の変換値の平均値を取り、得られた値をA/D変換値としてもよい。 Furthermore, noise can be effectively reduced by alternately repeating the operation shown in Figure 10D and the operation shown in Figure 10E multiple times, averaging the multiple conversion values obtained, and using the resulting value as the A/D conversion value. In this case as well, to shorten the conversion time, the operation shown in Figure 10D can be omitted, and the operation shown in Figure 10E can be performed multiple times to average the multiple conversion values obtained, and use the resulting value as the A/D conversion value.

次に、図10Fに示すように、第1の信号入力端INに第2のリセット時に共通信号線に現れる電圧VRST2を印加すると共に、第2の信号入力端INにA/D変換動作の判断のためにしきい値電圧VTHを印加する。このときの電圧Vと電圧Vは、下記数式31で表わされる。 10F, a voltage VRST2 that appears on the common signal line during the second reset is applied to the first signal input terminal INa , and a threshold voltage VTH for determining the A/D conversion operation is applied to the second signal input terminal INb . The voltages V a and V b at this time are expressed by the following equation 31.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は下記数式32で表されるため、第2のリセット直前の信号電圧VSIGは、第2のリセット電圧VRST2との差分が取られ、その大きさがしきい値電圧VTHと比較される。 The input voltage condition under which the output voltage changes is expressed by the following equation 32, so the difference between the signal voltage V SIG immediately before the second reset and the second reset voltage V RST2 is taken, and the magnitude of this difference is compared with the threshold voltage V TH .

そして、VRST2-VSIGがしきい値電圧VTHよりも低く、弱い信号である場合は、図11Aに示す回路によるマルチ変換に移行する。その際、図11Bに示すように、参照電圧VR2は、しきい値電圧VTHよりも若干広く限定された電圧範囲で複数回A/D変換され、得られた複数の変換値の平均値を取った値をA/D変換値とする。これにより、効果的にノイズを低減することができる。一方、VRST2-VSIGがしきい値電圧VTHよりも高く、強い信号である場合は、図11Aに示す回路によるシングル変換に移行し、図11Bに示すように、参照電圧VR2はフルスケールの電圧範囲を掃引する。 If V RST2 -V SIG is lower than the threshold voltage V TH and is a weak signal, the circuit shown in FIG. 11A switches to multi-conversion. At this time, as shown in FIG. 11B, the reference voltage V R2 is A/D converted multiple times within a limited voltage range slightly wider than the threshold voltage V TH , and the average of the multiple conversion values obtained is used as the A/D conversion value. This effectively reduces noise. On the other hand, if V RST2 -V SIG is higher than the threshold voltage V TH and is a strong signal, the circuit shown in FIG. 11A switches to single-conversion, and the reference voltage V R2 sweeps the full-scale voltage range as shown in FIG. 11B.

このように、本変換方法では、図10D~F及び図11Aに示す動作により、信号VSIGとリセット信号VRST2間で相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。ただし、この場合、非理想電圧ΔVが相関二重サンプリング(CDS)後の電圧に印加されている。そこで、本変換方法では、レジスタに一時的に記憶された非理想電圧ΔVのA/D変換値を読出し、差分を取る。これにより、非理想電圧ΔVをキャンセルした相関二重サンプリング(CDS)を取ることができる。 As described above, this conversion method converts a signal obtained by correlated double sampling (CDS) between the signal V_SIG and the reset signal V_RST2 through the operations shown in FIGS. 10D-F and 11A. However, in this case, a non-ideal voltage ΔV2 is applied to the voltage after correlated double sampling (CDS). Therefore, this conversion method reads out the A/D converted value of the non-ideal voltage ΔV2 temporarily stored in the register and calculates the difference. This allows for correlated double sampling (CDS) that cancels out the non-ideal voltage ΔV2 .

この相関二重サンプリング(CDS)された信号は、A/D変換されてデジタル値となり、図10Cに示すA/D変換動作時にメモリ13に記憶されたデータを読出し、その差分が取られて画素信号のA/D変換値とされる。 This correlated double sampled (CDS) signal is A/D converted to a digital value, and during the A/D conversion operation shown in Figure 10C, the data stored in memory 13 is read out, and the difference is taken to become the A/D converted value of the pixel signal.

この第3の変換方法は、前述した第2の変換方法に比べると変換時間はやや長くなるが、比較器のスイッチフィードスルーによるオフセット電圧や比較器の容量のkT/Cノイズをキャンセルできるだけでなく、複数のA/D変換値の平均値を取るため、前述した第2のA/D変換方法よりも更に回路全体のノイズを低減でき、非常に低ノイズなA/D変換が可能となる。 This third conversion method takes a little longer to convert than the second conversion method described above, but it not only cancels out the offset voltage due to the comparator's switch feedthrough and the kT/C noise of the comparator's capacitance, but also takes the average of multiple A/D conversion values, thereby reducing noise throughout the circuit even more than the second A/D conversion method described above, enabling extremely low-noise A/D conversion.

<第4のA/D変換方法>
図12A~C及び図13A~Cは第4のA/D変換方法を示す回路図である。第4のA/D変換方法では、先ず、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1のサンプリングを行う。具体的には、図12Aに示すように、第1の信号入力端INにリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1を印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR01を印加し、スイッチSを閉じる。この動作は図8Aに示す第1のA/D変換方法の動作と同じである。
<Fourth A/D conversion method>
12A-C and 13A-C are circuit diagrams showing a fourth A/D conversion method. In the fourth A/D conversion method, first, sampling is performed on the voltage VRST1 that appears on the common signal line at reset. Specifically, as shown in FIG. 12A, the voltage VRST1 that appears on the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal INa , and a reference voltage VRO1 is applied to the second signal input terminal INb , and the switch S1 is closed. This operation is the same as the operation of the first A/D conversion method shown in FIG. 8A.

次に、リセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDと、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1の変換を行う。具体的には、図12Bに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INにリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDを印加すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR1を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。この動作も、図8Bに示す第1のA/D変換方法の動作と同じである。そして、リセット解除後の電圧VSTDは、リセット電圧VRST1との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。相関二重サンプリング(CDS)された信号は、A/D変換されてデジタル値となりメモリ13に入力される。 Next, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is converted to the voltage V RST1 appearing on the common signal line during reset. Specifically, as shown in FIG. 12B , the switch S1 is opened, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R1 whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal IN b , and the voltages Va and V b appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. This operation is also the same as the operation of the first A/D conversion method shown in FIG. 8B . The difference between the voltage V STD after reset release and the reset voltage V RST1 is then taken, and the correlated double sampled (CDS) signal is converted. The correlated double sampled (CDS) signal is A/D converted to a digital value and input to the memory 13.

次に、信号サンプリングを行う。具体的には、一定の露光時間が経過した後、図12Cに示すように、第1及び第2の信号入力端に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGを印加して、スイッチSを閉じる。このとき、容量Csa,Csbの端子間電圧は等しく、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、下記数式33で表される。 Next, signal sampling is performed. Specifically, after a certain exposure time has elapsed, as shown in Fig. 12C, the voltage V SIG of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first and second signal input terminals, and the switch S1 is closed. At this time, the terminal voltages of the capacitances C sa and C sb are equal, and are expressed by the following equation 33, where V c is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、電圧VSIGの変換を行う。具体的には、図13Aに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INには継続して電圧VSIGを印加すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。このときの電圧V及び電圧Vは、上記数式33を用いて、下記数式34で表される。 Next, the voltage V SIG is converted. Specifically, as shown in Fig. 13A, the switch S1 is opened, the voltage V SIG is continuously applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R2 , which changes in proportion to time, is applied to the second signal input terminal IN b , and the voltages Va and V b appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. The voltages Va and V b at this time are expressed by the following equation 34 using the above equation 33.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は、下記数式35で表されるので、電圧VSIGはA/D変換され、変換値はレジスタに保存される。 The input voltage condition under which the output voltage changes is expressed by the following equation 35, so the voltage V_SIG is A/D converted and the converted value is stored in a register.

次に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VRST2をサンプリングする。具体的には、図13Bに示すように、第1及び第2の信号入力端に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VRST2を印加して、スイッチSを閉じる。このとき、容量Csa,Csbの端子間電圧は等しく、差動増幅器20の共通入出力電圧をVとして、下記数式36で表される。 Next, the voltage VRST2 of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is sampled. Specifically, as shown in Fig. 13B, the voltage VRST2 of the storage capacitance appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first and second signal input terminals, and the switch S1 is closed. At this time, the terminal voltages of the capacitances Csa and Csb are equal, and are expressed by the following equation 36, where Vc is the common input/output voltage of the differential amplifier 20.

次に、電圧VRST2の変換を行う。具体的には、図13Cに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端には継続して電圧VRST2を印加すると共に、第2の信号入力端に時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。このときの電圧V及び電圧Vは、上記数式36を用いて、下記数式37で表わされる。 Next, the voltage VRST2 is converted. Specifically, as shown in Fig. 13C, the switch S1 is opened, the voltage VRST2 is continuously applied to the first signal input terminal, and a reference voltage VR2 , which changes in proportion to time, is applied to the second signal input terminal, and the voltages Va and Vb appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared. The voltages Va and Vb at this time are expressed by the following equation 37 using the above equation 36.

出力電圧が変化する入力電圧の条件は、下記数式38で表されるので、信号電圧VRST2はA/D変換される。次に、この変換値とレジスタに記憶されている電圧VSIGのA/D変換値のデジタル差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)されたデジタル値となるので、最後に図12Bに示すA/D変換動作時にメモリ13に保存されたデータを読出し、その差分を取って、画素信号のA/D変換値とされる。
The condition of the input voltage at which the output voltage changes is expressed by the following equation 38, so the signal voltage V RST2 is A/D converted. Next, the digital difference between this converted value and the A/D converted value of the voltage V SIG stored in the register is taken, and a digital value is obtained by correlated double sampling (CDS). Finally, the data stored in memory 13 during the A/D conversion operation shown in FIG. 12B is read out, and this difference is taken to be the A/D converted value of the pixel signal.

第4のA/D変換方法は、2つの電圧Vと電圧Vを比較するとき、差動増幅器の2つの入力端の電圧はコモン電圧V近傍になるので、差動増幅器の入力電圧範囲を抑制することが可能となる。その結果、差動増幅器の動作電圧を下げ、A/D変換器を低電力化することができる。 In the fourth A/D conversion method, when two voltages Va and Vb are compared, the voltages at the two input terminals of the differential amplifier are close to the common voltage Vc , so it is possible to restrict the input voltage range of the differential amplifier, thereby lowering the operating voltage of the differential amplifier and enabling the A/D converter to consume less power.

<第5のA/D変換方式>
図14A~D及び図15A~Cは第5のA/D変換方法を示す回路図である。第5のA/D変換方法では、先ず、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1をサンプリングする。具体的には、図14Aに示すように、第1の信号入力端INにリセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1を印加すると共に、第2の信号入力端INに基準となる参照電圧VR01を印加し、スイッチSを閉じる。この動作は、図12Aに示す第4のA/D変換方法と同じである。
<Fifth A/D conversion method>
14A-D and 15A-C are circuit diagrams showing a fifth A/D conversion method. In the fifth A/D conversion method, first, the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset is sampled. Specifically, as shown in FIG. 14A, the voltage VRST1 appearing on the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal INa , and a reference voltage VRO1 serving as a reference is applied to the second signal input terminal INb , and the switch S1 is closed. This operation is the same as the fourth A/D conversion method shown in FIG. 12A.

次に、リセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDと、リセット時の共通信号線に現れる電圧VRST1のマルチ変換を行う。具体的には、図14Bに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INにリセット解除後の共通信号線に現れる電圧VSTDを印加すると共に、第2の信号入力端INに時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR1を印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較する。 Next, a multi-conversion is performed between the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release and the voltage V RST1 appearing on the common signal line during reset. Specifically, as shown in Fig. 14B, the switch S1 is opened, the voltage V STD appearing on the common signal line after reset release is applied to the first signal input terminal IN a , and a reference voltage V R1 whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal IN b , and the voltages Va and V b appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared.

そして、参照電圧VR1を限定された電圧範囲で複数回掃引してA/D変換し、得られた複数のA/D変換値の平均値を取り、これをA/D変換値とする。リセット解除後の電圧VSTDは、リセット電圧VRST1との差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)された信号を変換している。この相関二重サンプリング(CDS)された電圧は、A/D変換されてデジタル値となり、メモリ13に入力される。 The reference voltage V R1 is then swept multiple times within a limited voltage range and A/D converted, and the resulting multiple A/D converted values are averaged and used as the A/D converted value. The voltage V STD after reset release is the difference between it and the reset voltage V RST1 , and a correlated double sampled (CDS) signal is converted. This correlated double sampled (CDS) voltage is A/D converted to a digital value and input to the memory 13.

次に、信号サンプリングを行う。具体的には、一定の露光時間が経過した後、図14Cに示すように、第1及び第2の信号入力端に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VSIGを印加すると共に、スイッチSを閉じる。この動作は、前述した第4の変換方式における図12Cの動作と同様である。 Next, signal sampling is performed. Specifically, after a certain exposure time has elapsed, the voltage V SIG of the storage capacitor appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first and second signal input terminals, and the switch S1 is closed, as shown in Fig. 14C . This operation is the same as the operation in Fig. 12C in the fourth conversion method described above.

次に、電圧VSIGの大きさを判定する。具体的には、図14Dに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端に継続して電圧VSIGを印加すると共に、第2の信号入力端に時間にしきい値電圧VTHを印加し、差動増幅器20の2つの入力端に現れる電圧Vと電圧Vを比較して電圧VSIGとしきい値電圧VTHの大きさを判定する。 Next, the magnitude of the voltage V SIG is determined. Specifically, as shown in Fig. 14D, the switch S1 is opened, the voltage V SIG is continuously applied to the first signal input terminal, and the threshold voltage V TH is temporarily applied to the second signal input terminal. The voltages Va and Vb appearing at the two input terminals of the differential amplifier 20 are compared to determine the magnitudes of the voltage V SIG and the threshold voltage V TH .

判定の結果、電圧VSIGがしきい値電圧VTHよりも低く、弱い信号である場合は、図15Aに示す回路によるマルチ変換に移行し、図11Bに示すように、参照電圧VR2はしきい値電圧VTHよりも若干広い限定された電圧範囲で複数回掃引し、得られた複数の変換値の平均値を取り、A/D変換値とする。これにより、効果的にノイズを低減できる。一方、電圧VSIGがしきい値電圧VTHよりも高く、強い信号である場合は、図15Aに示す回路によるシングル変換に移行し、図11Bに示すように、参照電圧VR2はフルスケールの電圧範囲を掃引する。いずれの動作においても、電圧VSIGはA/D変換され、その変換値はレジスタに記憶される。 If the determination result shows that the voltage V SIG is lower than the threshold voltage V TH and is a weak signal, the circuit shown in FIG. 15A performs multi-conversion, and as shown in FIG. 11B, the reference voltage V R2 is swept multiple times within a limited voltage range slightly wider than the threshold voltage V TH , and the average of the multiple conversion values obtained is taken as the A/D conversion value. This effectively reduces noise. On the other hand, if the voltage V SIG is higher than the threshold voltage V TH and is a strong signal, the circuit shown in FIG. 15A performs single-conversion, and as shown in FIG. 11B, the reference voltage V R2 is swept across the full-scale voltage range. In either operation, the voltage V SIG is A/D converted, and the converted value is stored in a register.

次に、ソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VRST2をサンプリングする。具体的には、図15Bに示すように第1及び第2の信号入力端にソースフォロアを介して共通信号線に現れる蓄積容量の電圧VRST2を印加し、スイッチSを閉じる。 Next, the voltage VRST2 of the storage capacitor appearing on the common signal line via the source follower is sampled. Specifically, as shown in FIG. 15B, the voltage VRST2 of the storage capacitor appearing on the common signal line via the source follower is applied to the first and second signal input terminals, and the switch S1 is closed.

次に、電圧VRST2をマルチ変換する。具体的には、図15Cに示すように、スイッチSを開き、第1の信号入力端INに継続して電圧VRST2を印加すると共に、第2の信号入力端INには時間に比例して電圧が変化する参照電圧VR2を印加する。そして、限定された電圧範囲で複数回掃引し、得られた複数の変換値の平均値を取り、A/D変換値とする。これにより、効果的にノイズを低減できる。この過程で信号電圧VRST2はA/D変換される。 Next, the voltage VRST2 is multi-converted. Specifically, as shown in FIG. 15C, the switch S1 is opened, and the voltage VRST2 is continuously applied to the first signal input terminal INa , while the reference voltage VR2 , whose voltage varies in proportion to time, is applied to the second signal input terminal INb . Then, multiple sweeps are performed within a limited voltage range, and the average of the resulting multiple conversion values is taken as the A/D conversion value. This effectively reduces noise. During this process, the signal voltage VRST2 is A/D converted.

次に、この変換値とレジスタに記憶されている電圧VSIGのA/D変換値のデジタル差分が取られ、相関二重サンプリング(CDS)されたデジタル値となるため、最後に図14Bに示すA/D変換動作時にメモリ13に保存されたデータを読出し、その差分が取られて画素信号のA/D変換値とされる。 Next, the digital difference between this converted value and the A/D converted value of the voltage V SIG stored in the register is taken, and a digital value is obtained by correlated double sampling (CDS). Finally, the data stored in memory 13 during the A/D conversion operation shown in FIG. 14B is read out, and the difference is taken to become the A/D converted value of the pixel signal.

第5のA/D変換方法は、前述した第4のA/D変換方法と同様に、2つの電圧Vと電圧Vを比較するとき、差動増幅器の2つの入力端の電圧はコモン電圧V近傍になるため、差動増幅器の入力電圧範囲を抑制することが可能となる。その結果、差動増幅器の動作電圧を下げて、A/D変換器を低電力化することができる。さらに、第5のA/D変換方法では、複数回A/D変換し、その平均値を取っているので、読出しノイズの低減を図ることもできる。 In the fifth A/D conversion method, similar to the fourth A/D conversion method described above, when two voltages Va and Vb are compared, the voltages at the two input terminals of the differential amplifier are close to the common voltage Vc , making it possible to restrict the input voltage range of the differential amplifier. As a result, the operating voltage of the differential amplifier can be lowered, and the power consumption of the A/D converter can be reduced. Furthermore, in the fifth A/D conversion method, A/D conversion is performed multiple times and the average value is calculated, which also makes it possible to reduce read noise.

ところで、参照電圧の掃引範囲やしきい値電圧の合理的な設定のためには、相関二重サンプリング(CDS)された電圧ではなく、第1のリセット電圧、第2のリセット電圧、第1のリセットを解除した直後の電圧、第2のリセット前の信号電圧を計測することが必要である。このため、本実施形態のイメージセンサは、第1のリセット電圧のA/D変換値、第2のリセット電圧のA/D変換値、第1のリセット後の電圧のA/D変換値、第2のリセット前のA/D変換値を記憶し、これを用いて参照電圧の電圧範囲又はしきい値電圧を決定することで、より高精度で高速に動作させることができる。 In order to rationally set the sweep range of the reference voltage and the threshold voltage, it is necessary to measure the first reset voltage, the second reset voltage, the voltage immediately after the first reset is released, and the signal voltage before the second reset, rather than the voltage obtained by correlated double sampling (CDS). For this reason, the image sensor of this embodiment stores the A/D converted value of the first reset voltage, the A/D converted value of the second reset voltage, the A/D converted value of the voltage after the first reset, and the A/D converted value before the second reset, and uses this to determine the voltage range of the reference voltage or the threshold voltage, thereby enabling higher accuracy and faster operation.

以上詳述したように、本実施形態のイメージセンサは、特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と、第1のリセット解除時の電圧との差をアナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶し、リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とし、及び前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力するため、3トランジスタ構成の画素であっても、リセットノイズやトランジスタのしきい値電圧のドリフトをキャンセルでき、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。 As described above in detail, the image sensor of this embodiment converts the difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in a specific row and the voltage at the time of first reset release into a digital value using an analog-to-digital converter, stores this value in memory as a reference signal value, performs a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since reset release, converts the difference between the voltage extracted by the voltage buffer unit just before the second reset operation and the voltage at the time of the second reset into a digital value using an analog-to-digital converter, and sets this value as an accumulation signal value. The difference between the reference signal value and the accumulation signal value stored in memory is output as the analog-to-digital conversion value of the pixel signal. Therefore, even with a three-transistor pixel, reset noise and transistor threshold voltage drift can be canceled out, resulting in high-quality images with little noise.

1 イメージセンサ
10、100 画素
11、101 垂直走査回路
12、102 アナログ・デジタル(A/D)変換器
13 メモリ
14 制御部
20 差動増幅器
21 カウンター
22 累積加算器
110 光電膜
REFERENCE SIGNS LIST 1 Image sensor 10, 100 Pixel 11, 101 Vertical scanning circuit 12, 102 Analog-to-digital (A/D) converter 13 Memory 14 Control unit 20 Differential amplifier 21 Counter 22 Accumulator 110 Photoelectric film

Claims (7)

行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、
特定行の画素を選択する垂直走査回路と、
前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部と、
を有し、
前記画素は、
光信号を電流に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、
前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、
前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部と、
を備え、
前記アナログ・デジタル変換器は、
2つの入力端の差動電圧を増幅させて2つの出力端に生じさせる差動増幅器と、
第1の入力端と第1の出力端間に設けられた第1のスイッチと、
第2の入力端と第2の出力端間に設けられた第2のスイッチと、
第1の信号入力端子と前記第1の入力端の間に設けられた第1の容量と、
第2の信号入力端子と前記第2の入力端の間に設けられた第2の容量と、
を備え、前記第1及び第2の出力端における停止信号発生時の時間情報をアナログ・デジタル変換値とするものであり、
前記制御部は、
前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、
前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、
前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作、
を制御し、
前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第1の基準参照電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第1工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット解除後の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報が第1のアナログ・デジタル変換値としてメモリに記憶される第2工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第2の基準参照電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第3工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報が第2のアナログ・デジタル変換値とされる第4工程と、
を行い、
前記メモリに記憶された前記第1のアナログ・デジタル変換値と、前記第2のアナログ・デジタル変換値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値とするイメージセンサ。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions;
a vertical scanning circuit for selecting pixels in a specific row;
a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from pixels in rows selected by the vertical scanning circuit;
a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and an analog-to-digital converter;
and
The pixel is
a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric current;
a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage;
a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage;
a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input;
Equipped with
The analog-to-digital converter
a differential amplifier for amplifying a differential voltage between two input terminals and generating it at two output terminals;
a first switch provided between the first input terminal and the first output terminal;
a second switch provided between the second input terminal and the second output terminal;
a first capacitance provided between a first signal input terminal and the first input end;
a second capacitor provided between a second signal input terminal and the second input end;
and converting time information at the first and second output terminals when a stop signal is generated into an analog-to-digital converted value,
The control unit
a first reset operation in which the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit and then releases the reset;
an operation of converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in the specific row and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
an operation of performing a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since the reset release, converting a difference between the voltage immediately before the second reset operation, which is extracted by the voltage buffer unit, and the voltage at the time of the second reset operation into a digital value by the analog-to-digital converter, and setting the value as an accumulation signal value; and
an operation of outputting a difference value between the reference signal value stored in the memory and the accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal;
Control the
a first step of applying a voltage of the common signal line at the first reset time to the first signal input terminal, applying a first reference voltage to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a second step in which the first and second switches are released, the voltage of the common signal line after the first reset is released is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of a stop signal from the first and second output terminals is stored in a memory as a first analog-to-digital converted value;
a third step of applying a voltage of the common signal line immediately before the second reset to the first signal input terminal, applying a second standard reference voltage to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a fourth step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line at the second reset time is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of a stop signal from the first and second output terminals is converted into a second analog-to-digital converted value;
and
an image sensor that sets a difference value between the first analog-to-digital converted value and the second analog-to-digital converted value stored in the memory as an analog-to-digital converted value of a pixel signal ;
行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、
特定行の画素を選択する垂直走査回路と、
前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部と、
を有し、
前記画素は、
光信号を電流に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、
前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、
前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部と、
を備え、
前記アナログ・デジタル変換器は、
2つの入力端の差動電圧を増幅させて2つの出力端に生じさせる差動増幅器と、
第1の入力端と第1の出力端間に設けられた第1のスイッチと、
第2の入力端と第2の出力端間に設けられた第2のスイッチと、
第1の信号入力端子と前記第1の入力端の間に設けられた第1の容量と、
第2の信号入力端子と前記第2の入力端の間に設けられた第2の容量と、
を備え、前記第1及び第2の出力端における停止信号発生時の時間情報をアナログ・デジタル変換値とするものであり、
前記制御部は、
前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、
前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、
前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作、
を制御し、
前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第1の基準参照電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第1工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報が第1のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される第2工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット解除後の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報を第2のアナログ・デジタル変換値とし、前記第2工程において前記レジスタに記憶された前記第1のアナログ・デジタル変換値との差分が第3のアナログ・デジタル変換値としてメモリに記憶される第3工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第2の基準参照信号が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第4工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記出力端からの停止信号発生時の時間情報が第4のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される第5工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報を第5のアナログ・デジタル変換値とし、該第5のアナログ・デジタル変換値と前記第4工程において前記レジスタに記憶された前記第4のアナログ・デジタル変換値との差分値が第6のアナログ・デジタル変換値とされる第6工程と、
を行い、
前記メモリに記憶された前記第3のアナログ・デジタル変換値と、前記第6のアナログ・デジタル変換値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値とするイメージセンサ。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions;
a vertical scanning circuit for selecting pixels in a specific row;
a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from pixels in rows selected by the vertical scanning circuit;
a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and an analog-to-digital converter;
and
The pixel is
a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric current;
a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage;
a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage;
a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input;
Equipped with
The analog-to-digital converter
a differential amplifier for amplifying a differential voltage between two input terminals and generating it at two output terminals;
a first switch provided between the first input terminal and the first output terminal;
a second switch provided between the second input terminal and the second output terminal;
a first capacitance provided between a first signal input terminal and the first input end;
a second capacitor provided between a second signal input terminal and the second input end;
and converting time information at the first and second output terminals when a stop signal is generated into an analog-to-digital converted value,
The control unit
a first reset operation in which the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit and then releases the reset;
an operation of converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in the specific row and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
an operation of performing a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since the reset release, converting a difference between the voltage immediately before the second reset operation, which is extracted by the voltage buffer unit, and the voltage at the time of the second reset operation into a digital value by the analog-to-digital converter, and setting the value as an accumulation signal value; and
an operation of outputting a difference value between the reference signal value stored in the memory and the accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal;
Control the
a first step of applying a voltage of the common signal line at the first reset time to the first signal input terminal, applying a first reference voltage to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a second step in which the first and second switches are released, the voltage of the common signal line at the first reset time is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of a stop signal from the first and second output terminals is temporarily stored in a register as a first analog-to-digital converted value;
a third step of applying a voltage of the common signal line after the first reset is released to the first signal input terminal, applying a reference voltage whose voltage changes in proportion to time to the second signal input terminal, setting time information at the time of generation of a stop signal from the first and second output terminals as a second analog-digital converted value, and storing in memory a difference between the second analog-digital converted value and the first analog-digital converted value stored in the register in the second step as a third analog-digital converted value;
a fourth step of applying a voltage of the common signal line immediately before the second reset to the first signal input terminal, applying a second standard reference signal to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a fifth step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line immediately before the second reset is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of a stop signal from the output terminal is temporarily stored in a register as a fourth analog-to-digital converted value;
a sixth step in which the voltage of the common signal line at the second reset time is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, time information at the time of generation of a stop signal from the first and second output terminals is set as a fifth analog-to-digital converted value, and a difference value between the fifth analog-to-digital converted value and the fourth analog-to-digital converted value stored in the register in the fourth step is set as a sixth analog-to-digital converted value;
and
an image sensor that sets a difference value between the third analog-to-digital converted value stored in the memory and the sixth analog-to-digital converted value as an analog-to-digital converted value of a pixel signal;
行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、
特定行の画素を選択する垂直走査回路と、
前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部と、
を有し、
前記画素は、
光信号を電流に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、
前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、
前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部と、
を備え、
前記アナログ・デジタル変換器は、
2つの入力端の差動電圧を増幅させて2つの出力端に生じさせる差動増幅器と、
第1の入力端と第1の出力端間に設けられた第1のスイッチと、
第2の入力端と第2の出力端間に設けられた第2のスイッチと、
第1の信号入力端子と前記第1の入力端の間に設けられた第1の容量と、
第2の信号入力端子と前記第2の入力端の間に設けられた第2の容量と、
を備え、前記第1及び第2の出力端における停止信号発生時の時間情報をアナログ・デジタル変換値とするものであり、
前記制御部は、
前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、
前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、
前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作、
を制御し、
前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第1の基準参照電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第1工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端の停止信号発生時の時間情報から第1のアナログ・デジタル変換値を得る第2工程と、
前記第1工程と前記第2工程を交互に複数回行うか、又は、前記第2工程において時間に比例して電圧が変化する参照電圧を複数回変化させることにより複数の第1のアナログ・デジタル変換値を得、それらの値の平均値が最終的な第1のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット解除後の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値を平均化した値を第2のアナログ・デジタル変換値とし、前記第1のアナログ・デジタル変換値との差分値が第3のアナログ・デジタル変換値としてメモリに記憶される第3工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に第2の基準参照信号が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第4工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値の平均値が第4のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される第5工程と、
前記第1の信号入力端子に前記第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子にしきい値電圧が付与され、前記出力端信号により前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が比較される第6工程と、
前記第6工程で得た比較信号が小さい場合は、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値の平均値が第5のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶され、又は、前記比較信号が大きい場合は、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報から得たアナログ・デジタル変換値が、第5のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される第7工程と、
を行い、
前記メモリに記憶された前記第3のアナログ・デジタル変換値と、前記第5のアナログ・デジタル変換値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値とするイメージセンサ。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions;
a vertical scanning circuit for selecting pixels in a specific row;
a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from pixels in rows selected by the vertical scanning circuit;
a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and an analog-to-digital converter;
and
The pixel is
a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric current;
a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage;
a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage;
a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input;
Equipped with
The analog-to-digital converter
a differential amplifier for amplifying a differential voltage between two input terminals and generating it at two output terminals;
a first switch provided between the first input terminal and the first output terminal;
a second switch provided between the second input terminal and the second output terminal;
a first capacitance provided between a first signal input terminal and the first input end;
a second capacitor provided between a second signal input terminal and the second input end;
and converting time information at the first and second output terminals when a stop signal is generated into an analog-to-digital converted value,
The control unit
a first reset operation in which the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit and then releases the reset;
an operation of converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in the specific row and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
an operation of performing a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since the reset release, converting a difference between the voltage immediately before the second reset operation, which is extracted by the voltage buffer unit, and the voltage at the time of the second reset operation into a digital value by the analog-to-digital converter, and setting the value as an accumulation signal value; and
an operation of outputting a difference value between the reference signal value stored in the memory and the accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal;
Control the
a first step of applying a voltage of the common signal line at the first reset time to the first signal input terminal, applying a first reference voltage to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a second step of releasing the first and second switches, applying a voltage of the common signal line at the first reset time to the first signal input terminal, applying a reference voltage whose voltage changes in proportion to time to the second signal input terminal, and obtaining a first analog-to-digital converted value from time information at the time of generation of a stop signal at the first and second output terminals;
a step of alternately repeating the first step and the second step a plurality of times, or of varying a reference voltage whose voltage varies in proportion to time a plurality of times in the second step, thereby obtaining a plurality of first analog-to-digital conversion values, and temporarily storing an average value of these values in a register as a final first analog-to-digital conversion value;
a third step in which the voltage of the common signal line after the first reset is released is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal a plurality of times, a plurality of analog-to-digital converted values obtained from time information when a stop signal is generated from the first and second output terminals are averaged to obtain a second analog-to-digital converted value, and a difference value between the averaged value and the first analog-to-digital converted value is stored in memory as a third analog-to-digital converted value;
a fourth step of applying a voltage of the common signal line immediately before the second reset to the first signal input terminal, applying a second standard reference signal to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a fifth step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line immediately before the second reset is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal a plurality of times, and an average value of a plurality of analog-to-digital converted values obtained from time information when a stop signal is generated from the first and second output terminals is temporarily stored in a register as a fourth analog-to-digital converted value;
a sixth step of applying a voltage of the common signal line at the time of the second reset to the first signal input terminal, applying a threshold voltage to the second signal input terminal, and comparing the voltage of the common signal line immediately before the second reset with the output terminal signal;
a seventh step in which, if the comparison signal obtained in the sixth step is small, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal a plurality of times, and an average value of a plurality of analog-to-digital converted values obtained from time information when stop signals are generated from the first and second output terminals is temporarily stored in a register as a fifth analog-to-digital converted value, or, if the comparison signal is large, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and an analog-to-digital converted value obtained from time information when stop signals are generated from the first and second output terminals is temporarily stored in a register as a fifth analog-to-digital converted value;
and
an image sensor that sets a difference value between the third analog-to-digital converted value stored in the memory and the fifth analog-to-digital converted value as an analog-to-digital converted value of a pixel signal;
行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、
特定行の画素を選択する垂直走査回路と、
前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部と、
を有し、
前記画素は、
光信号を電流に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、
前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、
前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部と、
を備え、
前記アナログ・デジタル変換器は、
2つの入力端の差動電圧を増幅させて2つの出力端に生じさせる差動増幅器と、
第1の入力端と第1の出力端間に設けられた第1のスイッチと、
第2の入力端と第2の出力端間に設けられた第2のスイッチと、
第1の信号入力端子と前記第1の入力端の間に設けられた第1の容量と、
第2の信号入力端子と前記第2の入力端の間に設けられた第2の容量と、
を備え、前記第1及び第2の出力端における停止信号発生時の時間情報をアナログ・デジタル変換値とするものであり、
前記制御部は、
前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、
前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、
前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作、
を制御し、
前記第1及び第2の信号入力端に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第1工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット解除後の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端の停止信号発生時の時間情報が第1のアナログ・デジタル変換値としてメモリに記憶される第2工程と、
前記第1及び第2の信号入力端に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第3工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子にリセット直前の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端の停止信号発生時の時間情報が第2のアナログ・デジタル変換値とされる第工程と、
前記第1及び第2の信号入力端に前記第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第5工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端の停止信号発生時の時間情報を第3のアナログ・デジタル変換値とし、該第3のアナログ・デジタル変換値と前記第2のアナログ・デジタル変換値との差分値が第4のアナログ・デジタル変換値とされる第6工程と、
を行い、
前記メモリに記憶された前記第1のアナログ・デジタル変換値と、前記第4のアナログ・デジタル変換値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値とするイメージセンサ。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions;
a vertical scanning circuit for selecting pixels in a specific row;
a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from pixels in rows selected by the vertical scanning circuit;
a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and an analog-to-digital converter;
and
The pixel is
a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric current;
a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage;
a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage;
a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input;
Equipped with
The analog-to-digital converter
a differential amplifier for amplifying a differential voltage between two input terminals and generating it at two output terminals;
a first switch provided between the first input terminal and the first output terminal;
a second switch provided between the second input terminal and the second output terminal;
a first capacitance provided between a first signal input terminal and the first input end;
a second capacitor provided between a second signal input terminal and the second input end;
and converting time information at the first and second output terminals when a stop signal is generated into an analog-to-digital converted value,
The control unit
a first reset operation in which the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit and then releases the reset;
an operation of converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in the specific row and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
an operation of performing a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since the reset release, converting a difference between the voltage immediately before the second reset operation, which is extracted by the voltage buffer unit, and the voltage at the time of the second reset operation into a digital value by the analog-to-digital converter, and setting the value as an accumulation signal value; and
an operation of outputting a difference value between the reference signal value stored in the memory and the accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal;
Control the
a first step in which a voltage of the common signal line at the first reset time is applied to the first and second signal input terminals, and the first and second switches are closed;
a second step in which the first and second switches are released, the voltage of the common signal line after the first reset is released is applied to the first signal input terminal, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of the stop signals at the first and second output terminals is stored in a memory as a first analog-to-digital converted value;
a third step of applying a voltage of the common signal line immediately before the second reset to the first and second signal input terminals, and closing the first and second switches;
a fourth step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line immediately before reset is applied to the first signal input terminal, and a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and time information at the time of generation of the stop signal at the first and second output terminals is set as a second analog-to-digital converted value;
a fifth step in which the voltage of the common signal line at the second reset time is applied to the first and second signal input terminals, and the first and second switches are closed;
a sixth step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line at the time of the second reset is applied to the first signal input terminal, and a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, time information at the time of generation of the stop signals at the first and second output terminals is set as a third analog-digital converted value, and a difference value between the third analog-digital converted value and the second analog-digital converted value is set as a fourth analog-digital converted value;
and
an image sensor that sets a difference value between the first analog-to-digital converted value stored in the memory and the fourth analog-to-digital converted value as an analog-to-digital converted value of a pixel signal;
行方向及び列方向に2次元配置された複数の画素と、
特定行の画素を選択する垂直走査回路と、
前記垂直走査回路により選択された行の各画素からの信号を列並列でアナログ・デジタル変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
前記画素、前記垂直走査回路及びアナログ・デジタル変換器を制御する制御部と、
を有し、
前記画素は、
光信号を電流に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された電流を蓄積して信号電圧に変換する容量と、
前記容量を所定の電圧にリセットするリセット部と、
前記容量の電圧を入力とする電圧バッファー部と、
を備え、
前記アナログ・デジタル変換器は、
2つの入力端の差動電圧を増幅させて2つの出力端に生じさせる差動増幅器と、
第1の入力端と第1の出力端間に設けられた第1のスイッチと、
第2の入力端と第2の出力端間に設けられた第2のスイッチと、
第1の信号入力端子と前記第1の入力端の間に設けられた第1の容量と、
第2の信号入力端子と前記第2の入力端の間に設けられた第2の容量と、
を備え、前記第1及び第2の出力端における停止信号発生時の時間情報をアナログ・デジタル変換値とするものであり、
前記制御部は、
前記垂直走査回路によって選択された特定行の各画素において、前記リセット部により前記容量を所定の電圧にリセットした後、該リセットを解除する第1のリセット動作、
前記特定行の各画素の電圧バッファー部により取り出された第1のリセット電圧と前記リセット解除時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を基準信号値としてメモリに記憶する動作、
前記リセット解除時から一定の露光時間が経過した後で、第2のリセット動作を行い、前記電圧バッファー部により取り出された第2のリセット動作直前の電圧と前記第2のリセット時の電圧との差を、前記アナログ・デジタル変換器によってデジタル値に変換し、その値を蓄積信号値とする動作、及び、
前記メモリに記憶された基準信号値と前記蓄積信号値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値として出力する動作、
を制御し、
前記第1の信号入力端に前記第1のリセット時の共通信号線の電圧が付与され、前記第2の信号入力端に第1の基準参照電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第1工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子に前記第1のリセット解除後の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記第1及び第2の出力端からの停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値の平均値が第1のアナログ・デジタル変換値としてメモリに記憶される第2工程と、
前記第1及び第2の信号入力端に前記第2のリセット直前の共通信号線の電圧が付与され、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第3工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子にリセット直前の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第2の信号入力端にしきい値電圧が付与され、得られた差動増幅器の出力電圧によってリセット直前の共通信号線の電圧の大きさが判定される第4工程と、
前記第4工程で判定されたリセット直前の共通信号線の電圧の大きさがしきい値以下の場合は、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記出力端の停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値の平均値が第2のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶され、又は、前記リセット直前の共通信号線の電圧の大きさがしきい値を超える場合は、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が付与され、前記第1及び第2の出力端の停止信号発生時の時間情報から得たアナログ・デジタル変換値が第2のアナログ・デジタル変換値としてレジスタに一時的に記憶される第5工程と、
前記第1及び第2の信号入力端に前記第2のリセット時の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第1及び第2のスイッチが閉じられる第6工程と、
前記第1及び第2のスイッチが解放され、前記第1の信号入力端子にリセット時の共通信号線の電圧が付与されると共に、前記第2の信号入力端子に時間に比例して電圧が変化する参照電圧が複数回付与され、前記出力端の停止信号発生時の時間情報から得た複数のアナログ・デジタル変換値の平均値を第3のアナログ・デジタル変換値とし、該第3のアナログ・デジタル変換値と前記第2のアナログ・デジタル変換値との差分値が第4のアナログ・デジタル変換値とされる第7工程と、
を行い、
前記メモリに記憶された前記第1のアナログ・デジタル変換値と、前記第4のアナログ・デジタル変換値との差分値を、画素信号のアナログ・デジタル変換値とするイメージセンサ。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally in row and column directions;
a vertical scanning circuit for selecting pixels in a specific row;
a plurality of analog-to-digital converters that perform column-parallel analog-to-digital conversion of signals from pixels in rows selected by the vertical scanning circuit;
a control unit that controls the pixels, the vertical scanning circuit, and an analog-to-digital converter;
and
The pixel is
a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric current;
a capacitor that accumulates the current converted by the photoelectric conversion element and converts it into a signal voltage;
a reset unit that resets the capacitor to a predetermined voltage;
a voltage buffer unit that receives the voltage of the capacitor as an input;
Equipped with
The analog-to-digital converter
a differential amplifier for amplifying a differential voltage between two input terminals and generating it at two output terminals;
a first switch provided between the first input terminal and the first output terminal;
a second switch provided between the second input terminal and the second output terminal;
a first capacitance provided between a first signal input terminal and the first input end;
a second capacitor provided between a second signal input terminal and the second input end;
and converting time information at the first and second output terminals when a stop signal is generated into an analog-to-digital converted value,
The control unit
a first reset operation in which the reset unit resets the capacitance to a predetermined voltage in each pixel of a specific row selected by the vertical scanning circuit and then releases the reset;
an operation of converting a difference between the first reset voltage extracted by the voltage buffer unit of each pixel in the specific row and the voltage at the time of reset release into a digital value by the analog-to-digital converter, and storing the digital value in a memory as a reference signal value;
an operation of performing a second reset operation after a certain exposure time has elapsed since the reset release, converting a difference between the voltage immediately before the second reset operation, which is extracted by the voltage buffer unit, and the voltage at the time of the second reset operation into a digital value by the analog-to-digital converter, and setting the value as an accumulation signal value; and
an operation of outputting a difference value between the reference signal value stored in the memory and the accumulated signal value as an analog-to-digital converted value of the pixel signal;
Control the
a first step of applying a voltage of the common signal line at the first reset time to the first signal input terminal, applying a first reference voltage to the second signal input terminal, and closing the first and second switches;
a second step in which the first and second switches are released, the voltage of the common signal line after the first reset is released is applied to the first signal input terminal, and a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal multiple times, and an average value of multiple analog-to-digital converted values obtained from time information when stop signals are generated from the first and second output terminals is stored in memory as a first analog-to-digital converted value;
a third step of applying a voltage of the common signal line immediately before the second reset to the first and second signal input terminals, and closing the first and second switches;
a fourth step in which the first and second switches are opened, the voltage of the common signal line immediately before resetting is applied to the first signal input terminal, a threshold voltage is applied to the second signal input terminal, and the magnitude of the voltage of the common signal line immediately before resetting is determined based on the output voltage of the differential amplifier obtained;
a fifth step in which, if the magnitude of the voltage of the common signal line immediately before the reset determined in the fourth step is equal to or less than a threshold value, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal a plurality of times, and an average value of a plurality of analog-to-digital converted values obtained from time information when a stop signal is generated at the output terminal is temporarily stored in a register as a second analog-to-digital converted value, or, if the magnitude of the voltage of the common signal line immediately before the reset exceeds a threshold value, a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal, and an analog-to-digital converted value obtained from time information when a stop signal is generated at the first and second output terminals is temporarily stored in a register as a second analog-to-digital converted value;
a sixth step of applying the voltage of the common signal line at the second reset time to the first and second signal input terminals and closing the first and second switches;
a seventh step in which the first and second switches are released, a voltage of the common signal line at reset is applied to the first signal input terminal, and a reference voltage whose voltage changes in proportion to time is applied to the second signal input terminal multiple times, the average value of multiple analog-to-digital converted values obtained from time information when a stop signal is generated at the output terminal is set as a third analog-to-digital converted value, and the difference value between the third analog-to-digital converted value and the second analog-to-digital converted value is set as a fourth analog-to-digital converted value;
and
an image sensor that sets a difference value between the first analog-to-digital converted value stored in the memory and the fourth analog-to-digital converted value as an analog-to-digital converted value of a pixel signal;
前記リセット部及び前記電圧バッファー部の少なくとも一方はMOSトランジスタで構成されている請求項1~5のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 6. The image sensor according to claim 1, wherein at least one of the reset section and the voltage buffer section is configured with a MOS transistor. 前記第1のリセット電圧のアナログ・デジタル変換値、前記第1のリセット解除後の電圧のアナログ・デジタル変換値、前記第2のリセット電圧のアナログ・デジタル変換値及び前記第2のリセット前のアナログ・デジタル変換値のうち1種又は2種以上に基づき、前記参照電圧の電圧範囲及び/又はしきい値電圧が決定される請求項1~6のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 7. The image sensor according to claim 1, wherein the voltage range and/or threshold voltage of the reference voltage is determined based on one or more of an analog-to-digital conversion value of the first reset voltage, an analog-to-digital conversion value of the voltage after the first reset is released, an analog-to-digital conversion value of the second reset voltage, and an analog-to-digital conversion value before the second reset.
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