(57)【要約】【課題】デジタルＣＤＳの間隔に比べてアナログＣＤＳの間隔を短くする。【解決手段】トリックス状に画素ＰＣが配置された画素アレイ部１と、各画素ＰＣの信号成分をＣＤＳにて検出するサンプルホールド信号変換回路１１と、デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後にアナログＣＤＳの基準レベルをサンプリングさせるタイミング制御回路９とを設ける。【選択図】      図１
2011135451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス状に画素が配置された画素アレイ部と、
各画素の信号成分をＣＤＳにて検出するサンプルホールド信号変換回路と、
デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後にアナログＣＤＳの基準レベルをサンプリングさせるタイミング制御回路とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素から読み出された信号を増幅して前記サンプルホールド信号変換回路に出力するカラムアンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記サンプルホールド信号変換回路は、前記デジタルＣＤＳの基準レベルおよび前記アナログＣＤＳの基準レベルを保持する第１のコンデンサを備え、
前記タイミング制御回路は、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換される前に前記デジタルＣＤＳの基準レベルを前記第１のコンデンサに保持させ、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後に前記アナログＣＤＳの基準レベルを前記第１のコンデンサに保持させることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記アナログＣＤＳの基準レベルは、前記デジタルＣＤＳに用いられるコンパレータの出力レベルに基づいて設定されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記アナログＣＤＳの基準レベルは、クランプ電位に基づいて設定されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記サンプルホールド信号変換回路は、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルおよび前記アナログＣＤＳの基準レベルを保持する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに保持された基準レベルをカラム間で平均化する第１のスイッチとを備え、
前記タイミング制御回路は、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換される前に前記デジタルＣＤＳの基準レベルを前記第１のコンデンサに保持させ、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後に前記カラム間で平均化された基準レベルを前記アナログＣＤＳの基準レベルとして前記第１のコンデンサに保持させることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記サンプルホールド信号変換回路は、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルおよび前記アナログＣＤＳの基準レベルをグランド電位を基準として保持し、前記第１のコンデンサを介して出力する第２のコンデンサと、
前記画素から読み出された信号を伝送する垂直信号線の上流側から前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサを切り離す第２のスイッチとを備え、
前記タイミング制御回路は、前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換される前に前記デジタルＣＤＳの基準レベルを前記第２のコンデンサに保持させ、
前記デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後に前記アナログＣＤＳの基準レベルを前記第２のコンデンサに保持させ、
前記画素からの信号の読み出しが開始された後に前記第２のコンデンサに前記アナログＣＤＳの読み出しレベルを保持させ、前記垂直信号線の上流側から前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサを切り離させることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像装置に関し、特に、ＣＭＯＳイメージセンサの画素出力信号に重畳されるＲＴＳ（Ｒａｎｄｏｍ  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ  Ｓｉｇｎａｌ）ノイズを低減させる方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素からの信号は、垂直信号線を介してソースフォロア回路にて読み出され、画素のＲＴＳノイズや１／ｆノイズを低減させるために、アナログＣＤＳ（相関２重サンプリング）にて信号成分の検出が行われている。
【０００３】
また、各画素からの信号のデジタルサンプリングを行った場合、カラムごとのコンパレータのしきい値のばらつきに起因する縦縞が画面に発生するのを抑制するために、デジタルＣＤＳにて信号成分の検出が行われている（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に開示された方法では、アナログＣＤＳとデジタルＣＤＳが同時に行われるため、アナログＣＤＳの間隔が長くなる。このため、基準レベルのサンプリング後に画素出力信号に重畳されるＲＴＳノイズや１／ｆノイズが増大し、Ｓ／Ｎ比が劣化するという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｙｏｓｈｉｋａｚｕ  Ｎｉｔｔａ，Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ  Ｍｕｒａｍａｔｓｕ，Ｋｉｙｏｔａｋａ  Ａｍａｎｏ，Ｔａｋａｙｕｋｉ  Ｔｏｙａｍａ，ＪｕｎＹａｍａｍｏｔｏ，Ｋｏｊｉ  Ｍｉｓｈｉｎａ，Ａｔｓｕｓｈｉ  Ｓｕｚｕｋｉ，Ｔａｄａｙｕｋｉ  Ｔａｕｒａ，Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｋａｔｏ，Ｍａｓａｒｕ  Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ｙｕｋｉｈｉｒｏ  Ｙａｓｕｉ，Ｈｉｄｅｏ  Ｎｏｍｕｒａ，Ｎｏｒｉｙｕｋｉ  Ｆｕｋｕｓｈｉｍａ，‘Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ａｎａｌｏｇ  ＣＤＳ  ｏｎ  Ｃｏｌｕｍｎ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  ＡＤＣ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｉｘｅｌ  Ｓｅｎｓｏｒ’ＩＳＳＣＣ  ２００６／ＳＥＳＳＩＯＮ  ２７／ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲＳ／２７．５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、デジタルＣＤＳの間隔に比べてアナログＣＤＳの間隔を短くすることが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、マトリックス状に画素が配置された画素アレイ部と、各画素の信号成分をＣＤＳにて検出するサンプルホールド信号変換回路と、デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後にアナログＣＤＳの基準レベルをサンプリングさせるタイミング制御回路とを備えることを特徴とする固体撮像装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、デジタルＣＤＳの間隔に比べてアナログＣＤＳの間隔を短くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の固体撮像装置に適用されるカラムアンプ３、ＲＴＳノイズ低減回路４、カラムＡＤコンバータ５の概略構成を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、図１の固体撮像装置の画素インデックスごとのＲＴＳノイズとＣＤＳ間隔との関係を示す図である。
【図５】図５は、図１の固体撮像装置のＲＴＳノイズのＣＤＳ間隔依存性を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路１４およびカラムＡＤコンバータ１５の概略構成を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路２４およびカラムＡＤコンバータ２５の概略構成を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路３４およびカラムＡＤコンバータ３５の概略構成を示す回路図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路４４およびカラムＡＤコンバータ４５の概略構成を示す回路図である。
【図１３】図１３は、本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、固体撮像装置には、光電変換した電荷を蓄積する画素ＰＣがロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された画素アレイ部１、読み出し対象となる画素ＰＣを垂直方向に走査する行走査回路２、画素ＰＣから読み出された信号をカラムごとに増幅するカラムアンプ３、各画素ＰＣの信号成分をＣＤＳにて検出するサンプルホールド信号変換回路１１、サンプルホールド信号変換回路１１にて検出された信号を水平ラインごとに保持するラインメモリ７、読み出し対象となる画素ＰＣを水平方向に走査するカラム走査回路８および各画素ＰＣの読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路９が設けられている。
【００１２】
ここで、画素アレイ部１において、ロウ方向には画素ＰＣの読み出し制御を行う水平制御線ＨＬＩＮが設けられ、カラム方向には画素ＰＣから読み出された信号を伝送する垂直信号線ＶＬＩＮが設けられている。なお、水平制御線ＨＬＩＮは、読み出し信号ΦＴ、リセット信号ΦＲおよび行選択信号ΦＳを画素ＰＣに伝送することができる。
【００１３】
また、画素ＰＣには、フォトダイオードＰＤ、行選択トランジスタＴａ、増幅トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＴｃおよび読み出しトランジスタＴｄがそれぞれ設けられている。
【００１４】
そして、画素ＰＣにおいて、読み出しトランジスタＴｄのソースは、フォトダイオードＰＤに接続され、読み出しトランジスタＴｄのゲートには、読み出し信号ΦＴが入力される。また、リセットトランジスタＴｃのソースは、読み出しトランジスタＴｄのドレインに接続され、リセットトランジスタＴｃのゲートには、リセット信号ΦＲが入力され、リセットトランジスタＴｃのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、行選択トランジスタＴａのゲートには、行選択信号ΦＳが入力され、行選択トランジスタＴａのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴｂのソースは、垂直信号線ＶＬＩＮに接続され、増幅トランジスタＴｂのゲートは、読み出しトランジスタＴｄのドレインに接続され、増幅トランジスタＴｂのドレインは、行選択トランジスタＴａのソースに接続されている。
【００１５】
ここで、増幅トランジスタＴｂのゲートと読み出しトランジスタＴｄのドレインとの接続点には検出ノードＤＮが形成されている。また、負荷トランジスタＴＬのドレインは、垂直信号線ＶＬＩＮに接続され、負荷トランジスタＴＬのゲートには、バイアス信号ＶＢが入力される。なお、負荷トランジスタＴＬはソースフォロワを構成し、定電流動作をすることができる。
【００１６】
また、サンプルホールド信号変換回路１１には、画素ＰＣからの読み出し信号に重畳されるＲＴＳノイズを低減させるＲＴＳノイズ低減回路４、画素ＰＣからの読み出し信号と基準信号ＮＲとを比較するカラムＡＤコンバータ５、カラムＡＤコンバータ５から比較結果に基づいてアップカウウントおよびダウンカウントを行うことでＣＤＳの基準レベルと読み出しレベルとの差分を算出するアップ／ダウンカウンタ６、基準信号ＮＲを出力するＤＡコンバータ１０が設けられている。なお、ＤＡコンバータ１０は、アップ／ダウンカウンタ６によるアップカウント時およびダウンカウウント時に三角波を基準信号ＮＲとして出力することができる。
【００１７】
ここで、サンプルホールド信号変換回路１１は、デジタルＣＤＳおよびアナログＣＤＳにて画素ＰＣから読み出された信号成分を検出することができる。なお、デジタルＣＤＳでは、画素ＰＣから読み出された信号と基準信号ＮＲとを比較するコンパレータのオフセット誤差に基づいてデジタルＣＤＳの基準レベルを設定することができる。そして、画素ＰＣから読み出された信号成分の読み出しレベルからデジタルＣＤＳの基準レベルを差し引くことで、画面に発生する縦縞状のノイズを抑圧することができる。アナログＣＤＳでは、画素ＰＣに蓄積された電荷がリセットされた後の信号に基づいてアナログＣＤＳの基準レベルを設定することができる。そして、画素ＰＣから読み出された信号成分の読み出しレベルからアナログＣＤＳの基準レベルを差し引くことで、ＲＴＳノイズや１／ｆノイズを抑圧することができる。
【００１８】
また、タイミング制御回路９は、デジタルＣＤＳの基準レベルがデジタル値に変換された後にアナログＣＤＳの基準レベルのサンプリングを行わせることができる。なお、タイミング制御回路９には、マスタークロックＭＣＫが入力される。
【００１９】
そして、行選択信号ΦＳがロウレベルの場合、行選択トランジスタＴａがオフ状態となりソースフォロワ動作しないため、垂直信号線ＶＬＩＮに信号は出力されない。この時、読み出し信号ΦＴがハイレベルになると、画素ＰＣの読み出しトランジスタＴｄがオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷が検出ノードＤＮに転送される。この直後からフォトダイオードＰＤでは、有効な信号電荷の蓄積が開始される。その後、リセット信号ΦＲがハイレベルになると、リセットトランジスタＴｃがオンし、検出ノードＤＮに読み出された電荷がリセットされる。
【００２０】
次に、行選択信号ΦＳがハイレベルになると、画素ＰＣの行選択トランジスタＴａがオンする。そして、画素ＰＣの行選択トランジスタＴａがオンの状態でリセット信号ΦＲがハイレベルになると、リセットトランジスタＴｃがオンし、検出ノードＤＮに残存する電荷量に応じた電圧が増幅トランジスタＴｂのゲートにかかる。ここで、画素ＰＣの増幅トランジスタＴｂと負荷トランジスタＴＬとでソースフォロアが構成されているので、増幅トランジスタＴｂのゲートに印加された電圧に垂直信号線ＶＬＩＮの電圧が追従する。
【００２１】
そして、この時の垂直信号線ＶＬＩＮの電圧がカラムアンプ３にて増幅された後、ＲＴＳノイズ低減回路４に送られる。また、この時、カラムＡＤコンバータ５からは、各カラムごとに基準信号ＮＲとの比較を行うコンパレータの出力レベルがＴＳノイズ低減回路４に送られる。そして、検出ノードＤＮのリセットレベルとコンパレータの出力レベルがＲＴＳノイズ低減回路４に保持される。
【００２２】
そして、この時のＲＴＳノイズ低減回路４に保持された信号はカラムＡＤＣ５に送られ、基準信号ＮＲとして三角波が与えられた時に、この時にＲＴＳノイズ低減回路４に保持されている信号が基準信号ＮＲと一致するまでダウンカウントが行われることで、この時にＲＴＳノイズ低減回路４に保持されている信号がデジタル値に変換される。
【００２３】
そして、この時にＲＴＳノイズ低減回路４に保持されている信号がデジタル値に変換されると、ＲＴＳノイズ低減回路４において、画素ＰＣに蓄積された電荷がリセットされた後の電圧レベルがアナログＣＤＳの基準レベルとしてサンプリングされ保持される。
【００２４】
次に、アナログＣＤＳの基準レベルがＲＴＳノイズ低減回路４にてサンプリングされた後、読み出し信号ΦＴがハイレベルになると、読み出しトランジスタＴｄがオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が検出ノードＤＮに転送される。そして、検出ノードＤＮに転送された電荷量に応じた電圧が増幅トランジスタＴｂのゲートにかかる。ここで、画素ＰＣの増幅トランジスタＴｂと負荷トランジスタＴＬとでソースフォロアが構成されているので、増幅トランジスタＴｂのゲートに印加された電圧に垂直信号線ＶＬＩＮの電圧が追従する。
【００２５】
そして、この時の垂直信号線ＶＬＩＮの電圧がカラムアンプ３にて増幅された後、ＲＴＳノイズ低減回路４に送られ、検出ノードＤＮの読み出しレベルとアナログＣＤＳの基準レベルがＲＴＳノイズ低減回路４に保持される。
【００２６】
そして、この時のＲＴＳノイズ低減回路４に保持された信号はカラムＡＤＣ５に送られ、基準信号ＮＲとして三角波が与えられた時に、この時にＲＴＳノイズ低減回路４に保持されている信号が基準信号ＮＲと一致するまでアップカウントが行われることで、今回ＴＳノイズ低減回路４に保持されている信号から前回のダウンカウント時の信号が差し引かれた信号がデジタル値として出力される。そして、アップ／ダウンカウンタ６から出力された１ライン分のデータがラインメモリ７に保持され、１ライン分の出力データＤｏとして出力される。
【００２７】
図２は、図１の固体撮像装置に適用されるカラムアンプ３、ＲＴＳノイズ低減回路４、カラムＡＤコンバータ５の概略構成を示す回路図である。
図２において、カラムアンプ３には増幅器ＡＰ１がカラムごとに設けられ、ＲＴＳノイズ低減回路４にはコンデンサＣ１、Ｃ４がカラムごとに設けられ、カラムＡＤコンバータ５にはコンパレータＡＰ２がカラムごとに設けられている。ここで、カラムアンプ３には、垂直信号線ＶＬＩＮ１〜ＶＬＩＮ３ごとに画素ＰＣからの読み出し信号Ｖｓｉｇ１〜Ｖｓｉｇ３が入力される。
【００２８】
そして、増幅器ＡＰ１の入力端子にはコンデンサＣ３が接続され、増幅器ＡＰ１の入力端子と出力端子との間にはコンデンサＣ２が接続されている。また、コンデンサＣ２にはスイッチＳＷ５が並列に接続されている。また、増幅器ＡＰ１の出力端子はスイッチＳＷ４を介してコンデンサＣ１、Ｃ４の一端に接続され、コンデンサＣ１の他端はコンパレータＡＰ２の一方の入力端子に接続され、コンデンサＣ４の他端は接地されている。
【００２９】
コンパレータＡＰ２の他方の入力端子には基準信号ＮＲが入力され、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子と出力端子との間にはスイッチＳＷ１が接続されている。また、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子は、スイッチＳＷ３を介して複数のカラム間で互いに接続されている。
【００３０】
なお、カラムアンプ３には、コンデンサ比で増幅率Ｇを制御できるスイッチドキャパシタ型の反転増幅器を用いることができる。この増幅率Ｇは、Ｃ３／Ｃ２で算出することができる。例えば、Ｃ３＝０．０５ｐＦでＣ２＝０．４ｐＦの時、増幅率Ｇは８倍が得られる。ＲＴＳノイズ低減回路４のスイッチＳＷ３、ＳＷ４は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタもしくはＰ型ＭＯＳトランジスタもしくはＮ型およびＰ型の抱き合わせたＣＭＯＳ型トランジスタを用いることができる。コンデンサＣ１、Ｃ４は、０．１ｐＦ以上のコンデンサを用いることができる。カラムＡＤＣ５は、増幅率Ｇの高い差動アンプを用いることができる。
【００３１】
図３は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図３において、行選択信号ΦＳをハイレベルにすることで、画素ＰＣから信号を読み出すためのソースフォロワ動作が実行される。ここで、リセット信号ΦＲがハイレベルになると、リセットトランジスタＴｃがオンし、画素ＰＣのリセットレベルの信号が垂直信号線ＶＬＩＮに出力される。このリセットレベルの信号が垂直信号線ＶＬＩＮに出力されている時に、スイッチＳＷ５がオン／オフされると、カラムアンプ３の入力電圧が出力電圧でクランプされ、動作点が設定される。この時、垂直信号線ＶＬＩＮとの電圧の差分は、コンデンサＣ３に保持され、カラムアンプ３の入力電圧がゼロ設定される。
【００３２】
その後、コンデンサＣ３を介して、カラムアンプ３の入力電圧が変化すると、入力電圧がゼロ電圧になるようにコンデンサＣ２から電圧がフィードバックされる。この結果、カラムアンプ３からはコンデンサ比Ｃ３／Ｃ２だけ反転増幅された信号電圧が出力される。
【００３３】
また、リセットレベルの信号が出力されている時にスイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４がオンされることで、カラムアンプ３の出力電圧がコンデンサＣ１、Ｃ４に印加され、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子と出力端子とが短絡され、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子がカラム間で短絡される。そして、スイッチＳＷ１をオフすることで、コンデンサＣ１にカラムアンプ３のカラムごとのオフセット誤差が保持される。その後、スイッチＳＷ４をオフすることで、リセットレベルの信号が出力されている時の基準レベルがコンデンサＣ４に保持される。この時、スイッチＳＷ４をオフした瞬間にコンデンサＣ４には、スイッチＳＷ４のトランジスタのオン抵抗で発生する熱雑音が取り込まれるためＫＴＣ雑音が発生し、コンデンサＣ４に保持される電圧はカラムごとにばらつく。ここで、スイッチＳＷ４がオフされる時にスイッチＳＷ３をオンにし、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子の電位をカラム間で共通化することにより、スイッチＳＷ４で発生したＫＴＣノイズをカラム間で平均化することができ、コンデンサＣ４に保持される電圧のばらつきを抑圧することができる。そして、スイッチＳＷ４がオフされた後にスイッチＳＷ３をオフさせる。
【００３４】
次に、基準信号ＮＲを負側に変化させながら、コンパレータＡＰ２において基準信号ＮＲとＲＴＳノイズ低減回路４の出力レベルが比較される。そして、アップ／ダウンカウンタ６において、基準信号ＮＲとＲＴＳノイズ低減回路４の出力レベルが一致するまでダウンカウントされ、そのカウント値が各カラムのデジタルＣＤＳの基準レベルとして保持される。この１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了したら、スイッチＳＷ３、ＳＷ４が再度オンされる。そして、スイッチＳＷ４をオフし、画素ＰＣからリセットレベルの信号が出力されている時にカラムアンプ３で増幅されたソースフォロワの信号をアナログＣＤＳの基準レベルとしてコンデンサＣ４に取り込ませる。この時、スイッチＳＷ４がオフになった瞬間にコンデンサＣ４には、ＫＴＣノイズが発生する。ここで、スイッチＳＷ４がオフされる時にスイッチＳＷ３をオンにし、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子の電位をカラム間で共通化することにより、スイッチＳＷ４で発生したＫＴＣノイズをカラム間で平均化することができ、コンデンサＣ４に保持される電圧のばらつきを抑圧することができる。そして、スイッチＳＷ４がオフされた後にスイッチＳＷ３をオフさせる。
【００３５】
そして、スイッチＳＷ３がオフされた後に読み出し信号ΦＴが読み出しトランジスタＴｄに印加される。ここで、読み出し信号ΦＴがハイレベルになると、読み出しトランジスタＴｄがオンし、画素ＰＣの読み出しレベルの信号が垂直信号線ＶＬＩＮに出力される。この読み出しレベルの信号が垂直信号線ＶＬＩＮに出力されている時にスイッチＳＷ４がオンされることで、カラムアンプ３の出力電圧がコンデンサＣ１、Ｃ４に印加される。その後、スイッチＳＷ４をオフすることで、画素ＰＣから読み出し信号が出力された時の読み出しレベルがコンデンサＣ４に保持される。
【００３６】
このスイッチＳＷ３、ＳＷ４のオン／オフ動作により、実質的なアナログＣＤＳの間隔は、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ３のオフ時から３回目のスイッチＳＷ４のオフ時までの期間とすることができる。このため、質的なアナログＣＤＳの間隔は、非特許文献１では約３ｕＳだけ要していたのに対して、本実施形態１では約０．５ｕＳとすることができ、従来の１／６に短くすることができる。
【００３７】
次に、基準信号ＮＲを負側に変化させながら、コンパレータＡＰ２において基準信号ＮＲとＲＴＳノイズ低減回路４の出力レベルが比較される。そして、アップ／ダウンカウンタ６において、基準信号ＮＲとＲＴＳノイズ低減回路４の出力レベルが一致するまでアップカウントされ、そのカウント値がＣＤＳにて検出された信号成分としてラインメモリ７へ出力される。
【００３８】
なお、デジタルＣＤＳでは、主にスイッチＳＷ１がオフされた後の各コンパレータの入力間の固定誤差をキャンセルすることで、画面上に発生する縦筋状のノイズを抑圧することができる。ここで、スイッチＳＷ３、ＳＷ４のオフの瞬間にトランジスタで発生する熱雑音がＫＴＣノイズとして重畳されるが、カラムアンプ３で入力信号を増幅することにより、ＫＴＣノイズのノイズレベルを信号レベルよりも小さくすることができ、ＫＴＣノイズの影響を減少させることができる。もしくは、コンデンサＣ１、Ｃ４の容量値を大きくすることで、このＫＴＣノイズの影響を小さくすることができる。
【００３９】
また、アップ／ダウンカウンタ６の後段にラインメモリ７を設けることで、カラムＡＤＣ５による比較動作と、ラインメモリ７の読み出し動作を並行して実施することができ、ＣＭＯＳセンサの高速化を図ることができる。
【００４０】
図４は、図１の固体撮像装置の画素インデックスごとのＲＴＳノイズとＣＤＳ間隔との関係を示す図である。
図４において、ＣＤＳ間隔が３ｕＳの場合、ＲＴＳノイズが約２電子（ｅｌｅ）発生していることが示されている。特に、低照度の撮影時にこのＲＴＳノイズが問題となっている。このＲＴＳノイズは、ＣＤＳ間隔が長くなるほど大きくなっている。
【００４１】
図５は、図１の固体撮像装置のＲＴＳノイズのＣＤＳ間隔依存性を示す図である。
図５において、このＲＴＳノイズは、１／ｆノイズの傾きとして、周波数が１／１０になると、ノイズパワーは１０倍に劣化する。１／ｆ２の傾きのノイズは、周波数が１／１０になると、１００倍に劣化している。この図から周波数ｆが１０ＭＨｚ以下では、ＲＴＳノイズが大幅に増加していることがわかる。そして、ＣＤＳ間隔３ｕＳでは、熱雑音のノイズに対して２０倍〜１０００倍のノイズパワーが発生している。実行電圧として√（２０）＝４．５倍〜√（１０００）＝３２倍のノイズが発生している。
【００４２】
ＣＤＳ間隔が３ｕＳから０．５ｕＳと短くなった場合、カラムアンプ３の増幅率が１０倍、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量値が０．１ｐｆの時、ＫＴＣノイズは２．０３５ｅｌｅの１／３と見積もることができ、２／３＝０．６７ｅｌｅと低減できる。１／ｆ２ノイズは、さらに１／９に大幅に低減できる（ただし、画素ＰＣの検出部の変換ゲインを１００ｕＶ／ｅｌｅとした時）。
【００４３】
一般的にＫＴＣ雑音は、抵抗を介して信号をコンデンサに保持するサンプルホールド動作時に発生し、その発生電圧Ｖｎは、Ｖｎ＝√（ｋＴ／Ｃ）で算出できる。なお、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｃはコンデンサの容量である。
【００４４】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路１４およびカラムＡＤコンバータ１５の概略構成を示す回路図である。
図６において、この固体撮像装置では、図１のＲＴＳノイズ低減回路４およびカラムＡＤコンバータ５の代わりにＲＴＳノイズ低減回路１４が設けられ、ＲＴＳノイズ低減回路１４にはカラムＡＤコンバータ１５が設けられている。ここで、ＲＴＳノイズ低減回路１４では、図２のスイッチＳＷ３が省略され、カラムＡＤコンバータ１５が組み込まれている以外は図２のＲＴＳノイズ低減回路４と同様である。また、カラムＡＤコンバータ１５の構成は図２のカラムＡＤコンバータ５と同様である。
【００４５】
図７は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図７において、図３の方法では、１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了したら、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオン／オフされることにより、スイッチＳＷ４で発生したＫＴＣノイズをカラム間で平均化し、コンデンサＣ４に保持される電圧のばらつきが抑圧されるのに対し、図７の方法では、１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了したら、スイッチＳＷ１、ＳＷ４をオン／オフすることにより、コンパレータＡＰ２の入出力間をショートさせ、コンデンサＣ４に保持される電圧のばらつきが抑圧される。
【００４６】
ここで、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ１のオフ時に画素ＰＣのソースフォロワの１／ｆ（ＲＴＳ）ノイズをコンデンサＣ１に再取り込みしているため、実質的なアナログＣＤＳの間隔は、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ３のオフ時から３回目のスイッチＳＷ４のオフ時までの期間とすることができる。このため、図２の構成に比べてスイッチＳＷ３がない分だけ回路構成を簡素化しつつ、実施形態１と同等のＲＴＳノイズの低減効果を得ることができる。ただし、ＫＴＣノイズは、スイッチＳＷ３によるカラム間の平均化により抑圧効果がないため、スイッチＳＷ１、ＳＷ４の１回目のオフ時のＫＴＣノイズが加算される。
【００４７】
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路２４およびカラムＡＤコンバータ２５の概略構成を示す回路図である。
図８において、この固体撮像装置では、図１のＲＴＳノイズ低減回路４およびカラムＡＤコンバータ５の代わりにＲＴＳノイズ低減回路２４およびカラムＡＤコンバータ２５が設けられている。ここで、ＲＴＳノイズ低減回路２４では、図２のスイッチＳＷ４およびコンデンサＣ４が省略されている以外は図２のＲＴＳノイズ低減回路４と同様である。また、カラムＡＤコンバータ２５の構成は図２のカラムＡＤコンバータ５と同様である。
【００４８】
図９は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図９において、この第３実施形態では、行選択信号ΦＳがハイレベルの時にスイッチＳＷ３のオン／オフ動作が２回行われる。ここで、スイッチＳＷ３の２回目のオン／オフ動作は、１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了してから読み出し信号ΦＴがハイレベルになる前の間に行うことができる。
【００４９】
そして、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ３のオン動作によって、コンデンサＣ１の出力側の信号はカラム間で平均化される。このため、画素ＰＣのソースフォロワの１／ｆ（ＲＴＳ）ノイズは平均化され、スイッチＳＷ３がオフの時にコンデンサＣ１にアナログＣＤＳの基準レベルが再取り込みされる。ここで、図８の構成では、図２のスイッチＳＷ４がないため、読み出し信号ΦＴがハイレベルになった後は画素ＰＣのソースフォロワの１／ｆ（ＲＴＳ）ノイズをコンデンサＣ１に再取り込することができない。このため、実質的なアナログＣＤＳの間隔は、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ３のオフ時から２回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作でコンパレータＡＰ２の出力が反転するまでの期間となる。ＲＴＳノイズが目立つ信号がない時間は、ＣＤＳ間隔は従来の方法に比べて約１／２に低減できる。
【００５０】
これにより、図２の構成に比べてスイッチＳＷ４およびコンデンサＣ４がない分だけ回路構成を簡素化しつつ、ＣＤＳ間隔が約３ｕＳから約１．５ｕＳに短くなることで、１／ｆノイズ成分は、ノイズパワーとして１／２、実行値として１／√（２）＝１／１．４に低減できる。１／ｆ２成分は、１／２に低減できる。信号量が多くなると、ＣＤＳ間隔が長くなるが、光ショットノイズが目立つため、ＲＴＳノイズは目立たなくなる。
【００５１】
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路３４およびカラムＡＤコンバータ３５の概略構成を示す回路図である。
図１０において、この固体撮像装置では、図１のＲＴＳノイズ低減回路４およびカラムＡＤコンバータ５の代わりにＲＴＳノイズ低減回路３４およびカラムＡＤコンバータ３５が設けられている。ここで、ＲＴＳノイズ低減回路３４では、図２のスイッチＳＷ４およびコンデンサＣ４が省略され、スイッチＳＷ３の代わりにスイッチＳＷ２が設けられている以外は図２のＲＴＳノイズ低減回路４と同様である。また、カラムＡＤコンバータ３５では、スイッチＳＷ１が省略されている以外は図２のカラムＡＤコンバータ５と同様である。なお、スイッチＳＷ２は、コンパレータＡＰ２の一方の入力端子とクランプ電源Ｖａとの間にカラムごとに介挿されている。
【００５２】
図１１は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図１１において、この第４実施形態では、行選択信号ΦＳがハイレベルの時にスイッチＳＷ２のオン／オフ動作が２回行われる。ここで、スイッチＳＷ２の２回目のオン／オフ動作は、１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了してから読み出し信号ΦＴがハイレベルになる前の間に行うことができる。
【００５３】
そして、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ２のオン動作によって、画素ＰＣのソースフォロワの１／ｆ（ＲＴＳ）ノイズがコンデンサＣ１に再取り込みされ、実施形態３と同等のＲＴＳノイズの低減効果を得ることができる。ここで、実質的なアナログＣＤＳの間隔は、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ２のオフ時から２回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作でコンパレータＡＰ２の出力が反転するまでの期間となる。ＲＴＳノイズが目立つ信号がない時間は、ＣＤＳ間隔は従来の方法に比べて約１／２に低減できる。ただし、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ２のオフ時にスイッチＳＷ２で発生するＫＴＣノイズが加算される。
【００５４】
（第５実施形態）
図１２は、本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置に適用されるＲＴＳノイズ低減回路４４およびカラムＡＤコンバータ４５の概略構成を示す回路図である。
図１２において、この固体撮像装置では、図６のＲＴＳノイズ低減回路１４およびカラムＡＤコンバータ１５の代わりにＲＴＳノイズ低減回路４４およびカラムＡＤコンバータ４５が設けられている。ここで、ＲＴＳノイズ低減回路４４では、図６のスイッチＳＷ４およびコンデンサＣ４が省略されている以外は図６のＲＴＳノイズ低減回路１４と同様である。また、カラムＡＤコンバータ４５は、図２のカラムＡＤコンバータ１５と同様である。なお、コンデンサＣ１の容量値は、ＫＴＣノイズを低減するために、図６の構成に比べて大きくすることができ、例えば、０．１ｐＦから０．４ｐＦ以上に大きくしてもよい。
【００５５】
図１３は、本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の読み出し時の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図１３おいて、この第５実施形態では、行選択信号ΦＳがハイレベルの時にスイッチＳＷ１のオン／オフ動作が２回行われる。ここで、スイッチＳＷ１の２回目のオン／オフ動作は、１回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作が終了してから読み出し信号ΦＴがハイレベルになる前の間に行うことができる。
【００５６】
そして、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ１のオン動作によって、画素ＰＣのソースフォロワの１／ｆ（ＲＴＳ）ノイズがコンデンサＣ１に再取り込みされ、実施形態３と同等のＲＴＳノイズの低減効果を得ることができる。この時、基準信号ＮＲの信号波形レベルは、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の１回目のスイッチＳＷ１のオン時の取り込み時と同じレベルになるように黒レベル（例えば、５１２ＬＳＢ）に設定している。ここで、実質的なアナログＣＤＳの間隔は、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ１のオフ時から２回目のアップ／ダウンカウンタ６の動作でコンパレータＡＰ２の出力が反転するまでの期間となる。ＲＴＳノイズが目立つ信号がない時間は、ＣＤＳ間隔は従来の方法に比べて約１／２に低減できる。ただし、行選択信号ΦＳがハイレベルの時の２回目のスイッチＳＷ２のオフ時にスイッチＳＷ１で発生するＫＴＣノイズが加算される。
【００５７】
なお、上述した実施形態では、ＴＳノイズ低減回路４の前段にカラムアンプ３を設ける方法について説明したが、カラムアンプ３は、ＲＴＳノイズ低減回路４でスイッチ動作が多くなることによるＫＴＣノイズの増加を低減するために設けた。このＫＴＣノイズの発生量は、コンデンサＣ１の容量値に依存する。このため、コンデンサＣ１の容量値を十分大きくすれば、カラムアンプ３を不要にすることができる。この場合は、基準信号ＮＲの三角波形を負側となるように発生させることができる。
【００５８】
また、上述した実施形態では、画素ＰＣから読み出された信号をＣＤＳにてデジタル値に変換するために１回目にダウンカウントを行って保持し、２回目にアップカウントを行うことで差動処理する方法について説明したが、１回目にアップカウントを行って保持し、２回目にダウンカウントを行うことで差動処理するようにしてもよい。
【００５９】
また、上述した実施形態では、アップ／ダウンカウンタ６の後段にラインメモリ７を１Ｈ分だけ設ける方法について説明したが、ラインメモリを２Ｈ分だけ設け、アップカウントされたデータを１Ｈ目のラインメモリに保持させ、ダウンカウントされたデータを２Ｈ目のラインメモリに保持させ、出力データＤｏを外部に読み出す時に減算処理するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
ＰＣ  画素、Ｔａ  行選択トランジスタ、Ｔｂ  増幅トランジスタ、Ｔｃ  リセットトランジスタ、Ｔｄ  読み出しトランジスタ、ＴＬ  負荷トランジスタ、ＰＤ  フォトダイオード、ＤＮ  検出ノード、ＶＬＩＮ、ＶＬＩＮ１〜ＶＬＩＮ３  垂直信号線、ＨＬＩＮ  水平制御線、１  画素アレイ部、２  行走査回路、３  カラムアンプ、４、１４、２４、３４、４４  ＲＴＳノイズ低減回路、５、１５、２５、３５、４５  カラムＡＤコンバータ、６  アップ／ダウンカウンタ、７  ラインメモリ、８  カラム走査回路、９  タイミング制御回路、１０  ＤＡコンバータ、１１  サンプルホールド信号変換回路、ＳＷ１〜ＳＷ５  スイッチ、Ｃ１〜Ｃ３  コンデンサ、ＡＰ１  増幅器、ＡＰ２  コンパレータ、Ｖａ  クランプ電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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