(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力した光像を撮像する固体撮像装置であって、
入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から前記光電変換素子で発生した前記電流信号を出力させるスイッチ素子とを含む受光素子が、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、それぞれの前記受光素子の前記スイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、
それぞれの前記垂直受光部からの出力をそれぞれ個別に入力して、リセット指示信号に応じて前記垂直受光部から出力された前記電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする前記第２の数の積分回路と、
それぞれの前記積分回路から出力された信号をそれぞれ入力して、サンプル指示信号に応じて第２の容量素子に電荷サンプル動作または電荷ホールド動作をする前記第２の数のサンプルホールド回路と、
それぞれの前記サンプルホールド回路から出力された信号をそれぞれ入力して、水平走査信号に応じて出力駆動能力の制御を行う前記第２の数のドライブ回路と、
それぞれの前記ドライブ回路から出力された信号をそれぞれ入力して、前記水平走査信号に応じて択一的に出力する前記第２の数の水平読み出し回路と、
前記垂直走査信号、前記リセット指示信号、前記サンプル指示信号及び前記水平走査信号を発行するタイミング制御部と、を備え、
前記ドライブ回路は、差動増幅器と、定電圧端子からの電流を制御するＭＯＳＦＥＴからなる電流制御器と、ＭＯＳＦＥＴからなる電流源、及び第１の端子、第２の端子及び第３の端子を有する駆動切り換えスイッチ素子を含む駆動能力制御回路と、を有して構成されるとともに、
前記差動増幅器は、正入力端子が前記サンプルホールド回路の出力に接続され、負入力端子が前記水平読み出し回路の入力に接続されて設置され、
前記電流制御器は、前記定電圧端子と、前記差動増幅器の前記負入力端子との間に介在されて、そのゲート端子が前記差動増幅器の出力端子に接続されて設置され、
前記電流源は、前記差動増幅器の前記負入力端子と、接地端子との間に介在されて、そのゲート端子が前記駆動切り換えスイッチ素子の前記第１の端子に接続されて設置され、
前記駆動切り換えスイッチ素子は、前記第２の端子が第１電圧ＶＨを供給する電源に接続され、前記第３の端子がＶＨ＞ＶＬの関係を満たす第２電圧ＶＬを供給する電源に接続されて設置されて、
前記ドライブ回路は、前記水平走査信号が非有意であって出力が行われない場合には、前記駆動切り換えスイッチ素子の前記第１の端子と前記第３の端子とが接続されて前記出力駆動能力が低い状態とされ、前記水平走査信号が有意であって出力が行われる場合には、前記駆動切り換えスイッチ素子の前記第１の端子と前記第２の端子とが接続されて前記出力駆動能力が高い状態とされることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電流制御器は、ベース端子が前記差動増幅器の前記負入力端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記積分回路と、前記サンプルホールド回路との間に、
それぞれの前記積分回路から出力された信号をそれぞれ入力して、前記積分回路ごとのオフセット分を低減して出力する第３の容量素子と、前記第３の容量素子を介した信号をそれぞれ入力し、クランプ指示信号に応じて前記第３の容量素子の信号出力端子を基準電位に短絡させるクランプ素子とを備える前記第２の数のクランプ回路と、
それぞれの前記クランプ回路から出力された信号をそれぞれ入力して、インピーダンス変換して前記サンプルホールド回路へ向けて出力する前記第２の数のバッファ回路と、
をさらに備えるとともに、
前記タイミング制御部は、前記クランプ指示信号をさらに出力することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、入力した１次元または２次元の光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
背景技術
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有する撮像素子の場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
１次元または２次元光像を撮像するＭＯＳ型イメージセンサでは、１次元または２次元に配列されたフォトダイオードアレイに対して１つのディスクリート増幅器を設置し、各フォトダイオードでの光検出信号を増幅後に取り出すという方式が従来から採用されてきた。これに対して、近年、ＭＯＳ型イメージセンサの長所を活かしつつ、短い読み出し時間で、光量の小さい領域まで線形な光電変換特性が維持された光センサ装置が提案されている。
こうした装置では、フォトダイオードの出力をチャージアンプ回路、ソースフォロワ回路を介して読み出している（「特開平５−２１５６０２号公報（従来例１）」、「Ｊ．Ｃ．Ｓｔａｎｔｏｎ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１，Ｆｅｂ．１９８９，ｐｐ５２２−５２７．（従来例２）」参照）。
図４は、従来例１に開示の装置の回路構成図である。なお、従来例２に開示の装置も本質的に同様の回路構成を有している。図４に示すように、（ａ）フォトダイオード９１０と、フォトダイオード９１０から出力された光検出信号を入力して、電荷積分を行うチャージアンプ回路９２０とを有するセンサ９３０１〜９３０Ｎと、（ｂ）走査回路９４０によって択一的に選択されたセンサ９３０ｉから出力された信号を入力してクランプ処理するクランプ回路９５０と、クランプ回路９５０から出力された信号を入力してソースフォロワ出力するソースフォロワ回路９６０とを有するバッファ回路９７０と、を備える。
この装置では、フォトダイオード９１０への光の入射によって発生した電荷による電流信号を、チャージアンプ回路９２０が入力して電荷積分を行う。そして、走査回路９４０から出力される走査指示信号に応じて、択一的に選択されたセンサ９３０ｉから出力された信号である積分信号を、クランプ回路９５０を介した後にソースフォロワ回路９６０を介して、順次得ている。
発明の開示
上記のような光センサ装置においては、２次元のイメージセンサや、フォトダイオードと信号処理回路とを対にして１次元配列したイメージセンサを形成する場合に、以下のような問題点があった。
（１）直線性の問題
図４の装置では、ＭＯＳＦＥＴのソースフォロワ回路９６０によって、チャージアンプ回路９２０から出力される電荷積分結果をＭＯＳＦＥＴのゲートから入力し、ＭＯＳＦＥＴのソースから外部回路へ出力している。したがって、ゲート電位をＶＧ、ソース電位をＶＳとすると、
ＶＳ＝ＶＧ−Ｖｔｈ−（２Ｉ／Ｋｐ）１／２          …（１）
ここで、Ｖｔｈ：ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧
Ｉ  ：ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流
Ｋｐ：ＭＯＳＦＥＴの製造パラメータ、
サイズ等に起因する定数
が成立する。
ところで、Ｖｔｈはソース電位ＶＳによって変動する値であり、
Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋γ（（ＶＳ＋Ｖｂ）１／２−Ｖｂ１／２）  …（２）
ここで、Ｖｔｈ０：ＭＯＳＦＥＴ固有のしきい値電圧
γ  ：ＭＯＳＦＥＴ固有の基板定数
Ｖｂ  ：ＭＯＳＦＥＴのベース電位
となる。なお、ベース電位Ｖｂは、ＮＭＯＳであれば一般的に接地されるなどして、一定の電位に固定される。
（１）及び（２）式より、ゲート電位ＶＧ、すなわち積分結果信号に対して、ソース電位ＶＳ、すなわち出力信号が線形な関係を保つことは困難である。
以上を防ぐために、ＭＯＳＦＥＴのウェル電位をソース電位ＶＳとすべく配線接続を施すと、ウェルによって寄生容量が大幅に増加してしまい、高速動作が困難となる。
（２）動作速度の問題
図４の装置では、走査回路９４０によりセンサ９３０ｉの選択が行われた瞬間に、（１）式に示したソース電位ＶＳとなるべく、ソース端子の寄生容量をチャージアップする。高速動作のため、ソース端子の寄生容量のチャージアップ速度を速めるには、ソースフォロワ回路に流す定常電流の値を増やす必要がある。
しかし、定常電流の値を増やすと、ソースフォロワ回路におけるゲートとソースとの間の電圧値が増加してしまう。この結果、出力信号電圧のダイナミックレンジが狭くなる。
以上を解決するために、ＭＯＳＦＥＴのサイズを大きくすると、寄生容量も増えることとなるので、高速動作が困難となる。
すなわち、図４の装置では、高速動作と出力のダイナミックレンジの確保とを両立させることができなかった。この問題は、構成要素をアレイ化して集積する場合に特に深刻な問題点となる。
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、集積化された場合であっても、出力信号のダイナミックレンジを充分に確保しつつ、高速動作が可能であるとともに、消費電力を低減した固体撮像装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による固体撮像装置は、入力した光像を撮像する固体撮像装置であって、（１）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、上記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から上記光電変換素子で発生した上記電流信号を出力させるスイッチ素子とを含む受光素子が、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、それぞれの上記受光素子の上記スイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（２）それぞれの上記垂直受光部からの出力をそれぞれ個別に入力して、リセット指示信号に応じて上記垂直受光部から出力された上記電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする上記第２の数の積分回路と、（３）それぞれの上記積分回路から出力された信号をそれぞれ入力して、サンプル指示信号に応じて第２の容量素子に電荷サンプル動作または電荷ホールド動作をする上記第２の数のサンプルホールド回路と、（４）それぞれの上記サンプルホールド回路から出力された信号をそれぞれ入力して、水平走査信号に応じて出力駆動能力の制御を行う上記第２の数のドライブ回路と、（５）それぞれの上記ドライブ回路から出力された信号をそれぞれ入力して、上記水平走査信号に応じて択一的に出力する上記第２の数の水平読み出し回路と、（６）上記垂直走査信号、上記リセット指示信号、上記サンプル指示信号及び上記水平走査信号を発行するタイミング制御部と、を備え、（７）上記ドライブ回路は、差動増幅器と、定電圧端子からの電流を制御するＭＯＳＦＥＴからなる電流制御器と、駆動能力制御回路と、を有して構成されるとともに、上記差動増幅器は、正入力端子が上記サンプルホールド回路の出力に接続され、負入力端子が上記水平読み出し回路の入力に接続されて設置され、上記電流制御器は、上記定電圧端子と、上記差動増幅器の上記負入力端子との間に介在されて、そのゲート端子が上記差動増幅器の出力端子に接続されて設置され、上記駆動能力制御回路は、上記差動増幅器の上記負入力端子に接続されて設置されて、上記ドライブ回路は、上記水平走査信号が非有意であって出力が行われない場合には、上記駆動能力制御回路を介して上記出力駆動能力が低い状態とされ、上記水平走査信号が有意であって出力が行われる場合には、上記駆動能力制御回路を介して上記出力駆動能力が高い状態とされるように構成されたことを特徴とする。
このような固体撮像装置では、まず、垂直走査信号によって出力が指示されたそれぞれの垂直受光部の第１番目の受光素子から電流信号が出力される。すなわち、リセット指示信号を一時的に有意とした後、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、サンプルホールド回路に入力する。
サンプルホールド回路では、サンプル指示信号に応じて、光電変換素子に蓄積された電荷量に応じた電荷量が蓄積され、ドライブ回路に入力する。サンプリング動作の終了と相前後して、垂直走査信号はいずれの受光素子をも選択しない状態に設定される。
次いで、水平走査信号の設定により、それぞれの水平読み出し回路を順次、択一的に選択するとともに、読み出そうとする垂直受光部に対応するドライブ回路に出力駆動能力の高い状態への切り換えを指示し、各垂直受光部の第１番目の受光素子に対応した検出信号を順次読み出す。
このように、信号の読み出しの開始と出力駆動能力の切り換えとを、水平走査信号によって連動させることにより、読み出しが行われないときには低出力駆動能力の状態として低消費電力で動作するようにし、読み出しを行うときには高出力駆動能力の状態として消費電力を上げて信号の高速での読み出しを実現する。これによって、高速読み出し動作が可能で、かつ消費電力が低減された固体撮像装置とすることができる。
特に、上記のように差動増幅器とは別に、駆動能力を切り換えるためのＭＯＳＦＥＴからなる電流制御器、及び駆動能力制御回路を設置して、それらを用いて出力駆動能力の切り換えを行うように構成することによって、出力信号の直線性を保ったダイナミックレンジを充分に確保して、かつ高速動作が可能な固体撮像装置とすることができる。
なお、リセット指示信号は、サンプリング動作の終了後、各垂直受光部の第１番目の受光素子についての信号読み出しが終了するまでに、有意に設定される。
各垂直受光部の第１番目の受光素子についての信号読み出しが終了すると、水平走査信号をいずれの垂直受光部に対応した信号をも出力選択しない状態にし、リセット指示信号を非有意とした後、各垂直受光部の第２番目の受光素子についての動作を開始する。以後、同様の動作によって各垂直受光部の各受光素子についての信号を順次読み出すことにより、すべての受光素子についての信号データが収集される。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面と共に本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。なお、各図中及び以下の説明において、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのソース端子及びドレイン端子の区別については、いずれも図中で矢印が付されている方をソース端子とする。
図１は、本発明による固体撮像装置の一実施形態を示す構成図である。この回路は、（ａ）第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＮ１個配列された受光素子１２０ｊ，ｉ（ｉ＝１〜Ｎ１）から構成され、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ２個配列された垂直受光部１１０ｊ（ｊ＝１〜Ｎ２）、からなる受光部１００と、（ｂ）Ｎ２個の垂直受光部１１０ｊ（ｊ＝１〜Ｎ２）からの信号Ｓｊを、それぞれ個別に入力し処理する水平信号処理部２１０ｊ（ｊ＝１〜Ｎ２）からなる信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００及び信号処理部２００の各要素に動作タイミングの指示信号を与えるタイミング制御部３００とを備える。
受光部１００の２次元に配列されたＮ１×Ｎ２個の受光素子１２０ｊ，ｉ（ｊ＝１〜Ｎ２、ｉ＝１〜Ｎ１）はそれぞれ、入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号Ｖｉ（ｉ＝１〜Ｎ１）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を出力させるスイッチ素子１４０とを有して構成されている。垂直受光部１１０ｊにそれぞれ含まれる垂直方向に配列されたＮ１個の受光素子１２０ｊ，１〜１２０ｊ，Ｎ１は、それぞれのスイッチ素子１４０の信号出力端子が互いに電気的に接続されており、これによって受光素子１２０ｊ，１〜１２０ｊ，Ｎ１からの信号ｓｊ，１〜ｓｊ，Ｎ１は、合流されて１つの信号ｓｊとして信号処理部２００に入力される。
ここで、受光素子１２０ｊ，１〜１２０ｊ，Ｎ１のうち、どの受光素子からの信号が信号ｓｊとして出力されるかは、タイミング制御部３００の垂直走査部３２０からの垂直走査信号Ｖ１〜ＶＮ１の指示によるスイッチ素子１４０の「ＯＮ」または「ＯＦＦ」によって設定される。これによって、信号処理部２００の水平信号処理部２１０ｊに入力される信号ｓｊと、受光素子１２０ｊ，１〜１２０ｊ，Ｎ１からの信号ｓｊ，１〜ｓｊ，Ｎ１との対応関係が制御される。
信号処理部２００は、Ｎ２個の水平信号処理部２１０ｊ（ｊ＝１〜Ｎ２）を有して構成され、各水平信号処理部２１０ｊには、それぞれ対応する垂直受光部１１０ｊからの信号ｓｊが入力される。それぞれの水平信号処理部２１０ｊは同一の構成を有し、図１においては、垂直受光部１１０１に対応する水平信号処理部２１０１について回路構成を具体的に、垂直受光部１１０Ｎ２に対応する水平信号処理部２１０Ｎ２について回路構成を簡略化して示し、その他の水平信号処理部２１０２〜２１０Ｎ２−１については、垂直受光部１１０２〜１１０Ｎ２−１と同様に図示を省略している。
各水平信号処理部２１０ｊは、（ｉ）垂直受光部１１０ｊからの信号ｓｊを入力し、リセット指示信号Ｒに応じて信号ｓｊを入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号Ｒ＝非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号Ｒ＝有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ｉｉ）積分回路２２０から出力された信号を入力し、積分回路２２０のオフセット分低減して出力する容量素子２３１と、容量素子２３１を介した信号を入力し、クランプ指示信号Ｃに応じて容量素子２３１を介した信号を接地レベルに短絡させるスイッチ素子２３２とを備えるクランプ回路２３０と、（ｉｉｉ）クランプ回路２３０から出力された信号を入力し、入力信号をインピーダンス変換して出力するバッファ回路２５０と、（ｉｖ）バッファ回路２５０から出力された信号を入力し、サンプル指示信号ＳＨに応じて接続されるスイッチ素子２６１と、スイッチ素子２６１が接続時にサンプルホールド動作を行う容量素子２６２とを備えるサンプルホールド回路２６０と、（ｖ）サンプルホールド回路２６０からの信号を入力し、水平走査信号Ｈｊに応じて出力駆動能力を切り換えて、信号読み出し時に高速でデータ出力を行うドライブ回路２７０と、（ｖｉ）ドライブ回路２７０から出力された信号を入力して、水平走査信号Ｈｊに応じて信号の出力を行う水平読み出し回路２８０とを備える。
積分回路２２０は、各垂直受光部１１０ｊからの信号ｓｊを入力する電荷増幅器２２１と、電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号Ｒが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号Ｒが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
また、上記の実施形態においては、積分回路２２０及びサンプルホールド回路２６０の間に、クランプ回路２３０及びバッファ回路２５０が設けられている。この場合、クランプ回路２３０の容量素子２３１によって積分回路２２０からの出力信号の直流成分がカットされ、サンプルホールド回路２６０によるサンプル動作における信号の非有効期間での電荷蓄積が防止される。また、バッファ回路２５０によって、低出力インピーダンスでのサンプルホールド回路２６０への入力が行われる。この結果、低ノイズ化が可能となる。
図２は、図１に示したドライブ回路２７０及び水平読み出し回路２８０の拡大構成図である。なお、図２においては、水平走査信号Ｈｊの入力は図示されていない。また、図中、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの各端子は、それぞれ、Ｇ…ゲート端子、Ｄ…ドレイン端子、Ｓ…ソース端子、Ｂ…ベース端子を示している。
ドライブ回路２７０は、サンプルホールド回路２６０からの信号を入力し、水平読み出し回路２８０へ信号データを出力する差動増幅器２７１と、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる電流制御器２７２と、電流制御器２７２に電流を供給するｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる電流源２７３と、電流源２７３への駆動電圧を切り換える駆動切り換えスイッチ２７４とを備える。このうち、電流源２７３及び駆動切り換えスイッチ２７４によって、出力駆動能力を制御する駆動能力制御回路が構成されている。
本実施形態においては、差動増幅器２７１の正入力端子にサンプルホールド回路２６０からの信号が入力され、負入力端子は水平読み出し回路２８０への出力及び電流制御器２７２のソース端子に接続されている。また、差動増幅器２７１の出力端子は、電流制御器２７２のゲート端子に接続されている。電流制御器２７２のソース端子は、電流源２７３のドレイン端子にさらに接続されている。このような構成とすることによって、差動増幅器２７１及び電流制御器２７２による信号読み出しの速度を、電流源２７３によって供給が制御される電流量によって切り換えることが可能となる。なお、電流制御器２７２のドレイン端子は所定の定電圧端子に、また、電流源２７３のソース端子は接地端子に、それぞれ接続されている。
電流源２７３のゲート端子は駆動切り換えスイッチ２７４の一方の端子２７４ａに接続にされており、駆動切り換えスイッチ２７４の他方には２つの端子２７４ｂ及び２７４ｃがあって、駆動切り換えスイッチ２７４によってその接続が切り換えられる。端子２７４ｂには高電圧である第１電圧ＶＨを与える電源（図示していない）が、また、端子２７４ｃには低電圧である第２電圧ＶＬを与える電源（図示していない）が接続されている。第１電圧ＶＨ及び第２電圧ＶＬは、ＶＨ＞ＶＬである異なる電圧に設定されており、この接続を駆動切り換えスイッチ２７４で切り換えることによって、電流源２７３から電流制御器２７２に供給される電流量が切り換えられて、出力駆動能力が制御・変更される。なお、具体的な制御方法については後述する。
さらに、本実施形態においては、電流制御器２７２のベース端子が、ソース端子（差動増幅器２７１の負入力端子）に対して接続されている。また、電流源２７３のベース端子も、同様にソース端子に対して接続されている。このようにＭＯＳＦＥＴのベース端子を接続することによって、基板効果を抑えて出力のダイナミックレンジをさらに広くすることができる。
以上のような構成によるドライブ回路２７０を用いることによって、出力信号のダイナミックレンジを広くして、かつ、必要なときのみ消費電力を上げて高速動作を可能にする固体撮像装置とすることができる。
水平読み出し回路２８０は、ドライブ回路２７０から出力された信号を一方の端子で入力し、水平走査信号Ｈｊの指示に応じて「ＯＮ」状態と「ＯＦＦ」状態とが切り換わるスイッチ素子２８１を備える。
タイミング制御部３００は、（ｉ）基本タイミング信号を発生する基本タイミング部３１０と、（ｉｉ）基本タイミング部３１０からの垂直出力タイミング指示にしたがって、垂直走査信号Ｖｉを発生する垂直走査部３２０と、（ｉｉｉ）基本タイミング部３１０からの水平出力タイミング指示にしたがって、水平走査信号Ｈｊを発生する水平走査部３３０と、（ｉｖ）基本タイミング部３１０からのタイミング指示にしたがって、サンプル指示信号ＳＨ、クランプ指示信号Ｃ及びリセット指示信号Ｒを発生する制御信号部３４０とを備える。
本実施形態の固体撮像装置は、以下のようにして、受光部１００からの信号データを収集する。図３は、本実施形態におけるタイミング制御の一実施例を示すタイミングチャートである。なお、各々のタイミングチャート中での上下のレベルは、上のレベルが有意信号に、下のレベルが非有意信号に対応している。また、垂直走査信号Ｖｉの有意時に記載されている数字は、出力を指示する垂直方向の番号ｉ（ｉ＝１〜Ｎ１）を、また、水平走査信号Ｈｊの有意時に記載されている数字は、出力を指示する水平方向の番号ｊ（ｊ＝１〜Ｎ２）を示している。
本実施例では、タイミング制御部３００が、水平走査信号Ｈｊがいずれの垂直受光部１１０ｊに対応した信号も出力選択しない状態（すなわち、すべての水平読み出し回路２８０のスイッチ素子２８１は「ＯＦＦ」状態）で、リセット指示信号Ｒ及びクランプ指示信号Ｃを有意とし、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨを有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号がスイッチ素子２６１を介して容量素子２６２に入力される設定とする。
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒ及びクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、それぞれの垂直受光部１１０ｊの第１番目の受光素子１２０ｊ，１のスイッチ素子１４０を「ＯＮ」状態とする垂直走査信号Ｖ１が出力される。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」になると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。
そして、各積分回路２２０によって瞬時に容量素子２２２に蓄積され、電圧として出力される。続いて、クランプ回路２３０の容量素子２３１を介してオフセットが低減され、バッファ回路２５０によってインピーダンスが変換された後、信号データがサンプルホールド回路２６０に入力される。
サンプルホールド回路２６０では、バッファ回路２５０から出力された信号をスイッチ素子２６１を介して容量素子２６２に入力し、バッファ回路２５０から出力された信号の電圧値に応じた電荷を容量素子２６２に蓄積する。
サンプリング時間の経過後、サンプル指示信号ＳＨを非有意としてスイッチ素子２６１を「ＯＦＦ」状態とし、サンプリングを終了する。
次いで、水平走査信号Ｈｊの設定により、各々の水平読み出し回路２８０を順次、択一的に選択するとともに、ドライブ回路２７０の駆動切り換えスイッチ２７４による駆動電圧の切り換えを行う。すなわち、まず水平走査信号Ｈ１が有意とされると、水平信号処理部２１０１において、水平読み出し回路２８０のスイッチ素子２８１が「ＯＮ」状態となって出力が開始される。
同時に、ドライブ回路２７０において、Ｈ１が非有意のときには低電圧である第２電圧ＶＬを供給する第３の端子２７４ｃに接続されて、低い出力駆動能力の状態を選択している駆動切り換えスイッチ２７４の接続が、Ｈ１が有意にされると、高電圧である第１電圧ＶＨを供給する第２の端子２７４ｂに接続されて、ドライブ回路２７０は高い出力駆動能力の状態に切り換えられる。これによって、信号読み出しが行われないときには小電流での動作を行って消費電力を低減するとともに、信号読み出しを行うときには大電流での動作を行って信号の高速読み出し動作を行うことが可能となる。したがって、高速動作が可能であるとともに消費電力が低減された固体撮像装置が実現される。
引き続き、すべての水平走査信号Ｈｊが順次有意となって、同様に水平信号処理部２１０ｊによる信号読み出しが順次行われる。
なお、リセット指示信号Ｒ及びクランプ指示信号Ｃは、サンプリング動作の終了後、垂直受光部１１０ｊの第１番目の受光素子１２０ｊ，１に応じた信号読み出しがすべて終了するまでに有意に設定される。
受光素子１２０ｊ，１に応じた信号の順次読み出しが終了すると、水平走査信号Ｈｊをいずれの信号読み出しをも選択しない状態に、また、垂直走査信号Ｖｉをいずれの受光素子をも選択しない状態にし、上記と同様にして、リセット指示信号Ｒが有意の期間中にサンプル指示信号ＳＨを有意とし、サンプルホールド回路２６０に入力した信号がスイッチ素子２６１を介して容量素子２６２に入力される設定とする。
次に、サンプル指示信号ＳＨを有意としたままで、リセット指示信号Ｒ及びクランプ指示信号Ｃを非有意とした後、垂直走査信号Ｖ２が一定時間出力され、それによって各々の垂直受光部１１０ｊの第２番目の受光素子１２０ｊ，２が信号を出力する状態となる。
以後、受光素子１２０ｊ，１の場合と同様にして、受光素子１２０ｊ，２に応じた信号を順次読み出す。さらに同様の信号読み出しを順次行って、すべての受光素子からの信号を読み出す。
なお、信号読み出し実行時のみ出力駆動能力が高い状態に切り換えて、高速読み出しと低消費電力とを両立させる固体撮像装置としては、例えば差動増幅器自体でバイアス電圧切り換えを行う構成とすることが可能である（特開平１０−２３３３６号公報参照）。しかしながら、このように差動増幅器でバイアス電圧を切り換える構成とした場合には、チップ面積が大きくなってしまい、また、増幅器の動作点が変化してしまうために安定動作が確保できない、という問題を生じる。
これに対して、上記した実施形態の固体撮像装置においては、出力駆動能力の切り換えを差動増幅器２７１に対して分離され外付けにされた駆動能力制御回路によって行っており、この駆動能力制御回路を水平走査信号に同期して動作させて出力駆動能力を切り換えている。これによって、差動増幅器２７１自体は簡単な構成となるのでチップ面積を小さくすることが可能である。
本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では受光素子は２次元に配列されていたが、１次元配列による構成であっても良い。これは、図１に示した固体撮像装置において、Ｎ１＝１とすることに相当する。
また、ドライブ回路において出力駆動能力の制御を行うための駆動能力制御回路についても、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる電流源及び駆動切り換えスイッチによる構成に限られず、同様の機能を有する他の形態のものを用いても良い。
産業上の利用可能性
本発明は、集積化された場合であっても出力信号のダイナミックレンジを確保しつつ、高速動作が可能であるとともに、消費電力を低減した固体撮像装置として、１次元または２次元の光像の撮像などに利用可能である。特に、差動増幅器、ＭＯＳＦＥＴからなる電流制御器、及び駆動能力制御回路を有して構成されたドライブ回路によって、その出力駆動能力を信号読み出し時のみ高い状態とし、それ以外のときには低出力駆動能力の状態として消費電力を低減させる。これによって、低消費電力で、かつ広いダイナミックレンジを確保しつつ高速読み出しが可能な固体撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、固体撮像装置の一実施形態を示す構成図である。
図２は、ドライブ回路及び水平読み出し回路の構成図である。
図３は、図１に示した固体撮像装置における制御の一実施例を示すタイミングチャートである。
図４は、従来の固体撮像装置の一例を示す構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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