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公開番号2024157253
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-07
出願番号2023071507
出願日2023-04-25
発明の名称固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器
出願人ブリルニクスシンガポールプライベートリミテッド,学校法人立命館
代理人弁理士法人アテンダ国際特許事務所
主分類H04N 25/70 20230101AFI20241030BHJP(電気通信技術)
要約【課題】入出力特性の線形性を改善でき、チップコストの低減を図ることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供する。
【解決手段】画素信号処理部400は、第1の入力スイッチ412および出力スイッチ413を同相でオンオフさせ、第1の入力スイッチ412および出力スイッチ413がオン状態で第2の入力スイッチ421がオフ状態で、第1のオートゼロスイッチAZ411および第2のオートゼロスイッチAZ412をオン状態に保持させて第2ノードND412を基準電位VSS(GND)に接続させることにより、サンプリングキャパシタCS411、帰還キャパシタCF411、およびオートゼロキャパシタCAZ411をキャパシタの動作範囲で動作させ、帰還キャパシタCF411を入力画素信号の差分に従って一定に保持させて、アンプ411の出力を入力信号に対して線形応答に保持させる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
各々が基準レベルの信号と信号レベルの信号により形成される複数の読み出し信号を画素信号として読み出し可能な読み出し画素と、
前記読み出し画素から読み出された前記画素信号を処理する画素信号処理部と、を含み、
前記画素信号処理部は、
前記読み出し画素から読み出された画素信号が入力される入力ノードと、
次段回路と接続される接続ノードと、
反転入力端子および非反転入力端子を含む演算増幅器と、
前記演算増幅器の前記反転入力端子に接続された第１ノードと、
第２ノードと、
前記演算増幅器の出力端子および前記接続ノードに接続された第３ノードと、
前記第３ノードと前記第１ノードとの間に接続された第１のオートゼロスイッチと、
前記第１ノードと前記第２ノードとの間に接続されたオートゼロキャパシタと、
前記第２ノードと所定のバイアス電位との間に接続され、前記第１のオートゼロスイッチと同相でオンオフされる第２のオートゼロスイッチと、
前記第３ノードと前記第２ノードとの間に接続された帰還キャパシタと、
前記第２ノードと前記入力ノードとの間に接続されたサンプリングキャパシタと、を含み、
前記第１のオートゼロスイッチおよび前記第２のオートゼロスイッチは、リセット機能を含むオートゼロ期間にオン状態に保持される
固体撮像装置。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記画素信号処理部は、
前記第１のオートゼロスイッチおよび前記第２のオートゼロスイッチをオン状態に保持させて前記第２ノードを前記バイアス電位に接続させることにより、前記サンプリングキャパシタ、前記帰還キャパシタ、および前記オートゼロキャパシタをキャパシタの動作範囲で動作させ、帰還キャパシタを入力画素信号の差分に従って一定に保持させて、前記演算増幅器の出力を入力信号に対して線形応答に保持させる
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素信号処理部は、
前記入力ノードと前記第２ノードとの間に前記サンプリングキャパシタと直列に接続された第１の入力スイッチと、
前記第３のノードと前記接続ノードとの間に接続された出力スイッチと、を含み、
前記第１の入力スイッチおよび前記出力スイッチは同相でオンオフされ、
前記第１の入力スイッチおよび前記出力スイッチがオン状態で、
前記第１のオートゼロスイッチおよび前記第２のオートゼロスイッチをオン状態に保持させて前記第２ノードを前記バイアス電位に接続させることにより、前記サンプリングキャパシタ、前記帰還キャパシタ、および前記オートゼロキャパシタをキャパシタの動作範囲で動作させ、帰還キャパシタを入力画素信号の差分に従って一定に保持させて、前記演算増幅器の出力を入力信号に対して線形応答に保持させる
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記オートゼロキャパシタの容量は、前記サンプリングキャパシタの容量より小さい
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素信号処理部は、
前記入力ノードと前記第２ノードとの間に前記サンプリングキャパシタと直列に接続可能な第１の入力スイッチが設けられておらず、
前記第３のノードと前記接続ノードとの間に接続可能で、前記第１の入力スイッチと同相でオンオフされる出力スイッチが設けられていない一方、
前記入力ノードと前記接続ノード間に接続され、前記第１の入力スイッチおよび前記出力スイッチとは逆相でオンオフされる第２の入力スイッチを含み、
前記第２の入力スイッチがオンの期間において前記演算増幅器はオフになり、
前記演算増幅器の寄生負荷容量は、容量の大きい前記サンプリングキャパシタおよび帰還キャパシタはシリアル化された容量の小さな前記オートゼロキャパシタ、前記演算増幅器の容量で小さく見えることから、小さい
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記バイアス電位は、接地電位または正バイアス電位である
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のオートゼロスイッチは、複数のスイッチを直列に接続したシリーズスイッチにより形成されている
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１のオートゼロスイッチと前記第１ノードとの接続ラインに、前記第１のオートゼロスイッチがオフになると当該接続ラインに電荷を注入する電荷注入用キャパシタが接続されている
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記演算増幅器は、カスコード型である
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記出力スイッチの信号入力ラインに形成された第４ノードと、
前記第３ノードと前記第１ノードとの間に接続された前記第１のオートゼロスイッチと、
前記演算増幅器の出力端子に接続された前記第３ノードと前記第４ノードとの間に接続された第１のリファレンススイッチと、
前記第４ノードと前記第２ノードとの間に接続された前記帰還キャパシタと、
前記帰還キャパシタと前記第４ノードとの接続ラインと基準電位との間に接続された第２のリファレンススイッチと、を含み、
前記第１のリファレンススイッチと前記第２のリファレンススイッチは逆相でオンオフされ、
前記第２のオートゼロスイッチがオンすると前記演算増幅器の出力レベルは基準電位にリセットされる
請求項４記載の固体撮像装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
【０００４】
ところで、固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の画素の構成としては、たとえば一つのフォトダイオード（光電変換素子）に対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタをそれぞれ一つずつ有する４トランジスタ（４Ｔｒ）構成の基本的な画素を例示することができる。
【０００５】
転送トランジスタは、所定の転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
リセットトランジスタは、所定のリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線の電位にリセットする。
選択トランジスタは、読み出しスキャン時に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタはフローティングディフュージョンＦＤで電圧信号に変換した列出力の読み出し信号を垂直信号線に出力する。
【０００６】
たとえば、読み出しスキャン期間において、リセット期間にフローティングディフュージョンＦＤがたとえば電源線の電位（基準電位）にリセットされた後、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、基準レベルの読み出しリセット信号（基準レベルの信号）Ｖｒｓｔとして垂直信号線に出力される。
続いて、所定の転送期間に、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。そして、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、信号レベルの読み出し信号（信号レベルの信号）Ｖｓｉｇとして垂直信号線に出力される。
画素の出力信号は、カラム読み出し回路において差分信号（Ｖｓｉｇ－Ｖｒｓｔ）としてＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理される。
【０００７】
このように、通常の画素読み出し信号（以下、画素信号という場合もある）ＰＳは、１つの基準レベルの読み出しリセット信号Ｖｒｓｔと１つの信号レベルの読み出し信号Ｖｓｉｇにより形成される。
【０００８】
ところで、特性向上のため、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ：High Dynamic Range）を持つ高画質の固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）を実現する方法が種々提案されている。
【０００９】
高ダイナミックレンジ化のアプローチの一つとして、横型オーバーフロー蓄積容量（LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor）の構成を挙げることができる（たとえば特許文献１参照）。
ＬＯＦＩＣ構成の画素は、上述した基本的構成に、蓄積キャパシタおよび蓄積トランジスタが追加されており、同一露光時間にフォトダイオードから溢れた過飽和電荷を捨てずに蓄積キャパシタに蓄積する。
【００１０】
このＬＯＦＩＣ画素は、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１による変換利得（高利得側：1/Cfd1に比例）と、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１＋蓄積キャパシタＣ２のＬＯＦＩＣ容量Ｃｌｏｆｉｃによる変換利得（低利得側：1/(Cfd1+Clofic)に比例）の２種類を持つことができる。
すなわち、ＬＯＦＩＣ画素では、低変換利得（ＬＣＧ）信号と高変換利得（ＨＣＧ）信号をそれぞれ使用して、大きな飽和と小さなダークノイズを実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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