(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を垂直信号線に伝送するスイッチ手段とからなる光電変換素子を備え、前記垂直信号線がインピーダンス変換手段の入力端子に接続され、該インピーダンス変換手段の出力端子がクランプ手段及び直列に接続された第１のスイッチ手段を経て共通水平信号線に接続され、前記光電変換手段において形成された信号電荷に応じた信号電圧を前記垂直信号線、前記インピーダンス変換手段、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する固体撮像装置において、
前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段で発生した信号電荷、もしくは該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第２のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで、前記クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段がリセット状態にある時、もしくは前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に前記第１のスイッチ手段をＯＮすることで、前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧と、該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段と第１のスイッチ手段を介して共通水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、
前記共通水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子の信号電圧、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧を印加し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第２のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで該クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時、前記第１のスイッチ手段をＯＮすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項３】
光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段、第１のスイッチ手段を順次介して水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、
前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が第２のスイッチと第３のスイッチに接続された帰還容量の他端と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続された第４のスイッチの他端とに接続し、前記第２のスイッチのもう一端は該差動増幅器の出力端子と接続し、前記第３のスイッチのもう一端には基準電圧源に接続し、前記差動増幅器の正極入力端子に前記基準電圧源を接続し、前記垂直信号線に前記増幅型光電変換素子の信号電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に、前記第１のスイッチと第３のスイッチと第４のスイッチをＯＮし、前記第２のスイッチはＯＦＦすることで前記差動増幅器を電圧フォロワーの構成となるようにし、前記基準電圧源の電圧と前記差動増幅器の入力換算されたオフセット電圧を印加し、前記帰還容量の端子間に前記差動増幅器の入力換算オフセット電圧が印加されるようにし、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端にその電圧が印加されている時、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチをＯＮし、前記第３のスイッチと前記第４のスイッチをＯＦＦすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧の差電圧に応じた電荷を前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力し、該差動増幅器の前記入力換算オフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、増幅型ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置が多く提案されているが、この固体撮像装置は、各固体撮像素子の各セル毎にフォトダイオードで検出された信号をトランジスタで増幅するものである。
【０００３】
このＭＯＳ型固体撮像装置の例を、ＣＤＳ型ノイズキャンセル回路を搭載した従来文献（Jaroslav Hynecek,“BCMD-An improved Photosite Structure for High-Density Image Sensors"IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.38 NO.5 MAY1991）、および（Jaroslav Hynecek,Taxas Instruments,Unitedstates Patent NO.4819070,April4,1989）をもとに説明する。
【０００４】
図７に従来のＭＯＳ型固体撮像装置の構成を示し、図８にそのタイミングを示す。単位セルは、フォトダイオード１、増幅トランジスタ２、選択トランジスタ３、リセットトランジスタ４から構成されている。
【０００５】
各セルに配置されたフォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）に蓄積された信号は、増幅トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）によって電圧として、検出ノードである垂直信号線８（８−１，８−２，…）に読み出される。このとき、増幅トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）と負荷トランジスタ９（９−１，９−２，…）によりソースフォロワ回路が構成されているので、フォトダイオードの信号に対応した電圧が垂直信号線８（８−１，８−２，…）に読み出される。
【０００６】
このような構成のＭＯＳ型固体撮像装置では、増幅トランジスタ２のしきい値ばらつきに対応した固定パターン雑音が発生するという問題がある。固定パターン雑音はＳ／Ｎを低下させるので、画質の劣化をもたらす。この固定パターン雑音は、フォトダイオード１のリセット電圧が全画素同じ電圧でもしきい値が全画素同じにならないので、発生するものである。この垂直信号線８の固定パターン雑音を取り去るために、ノイズキャンセル回路が提案されて使用される。
【０００７】
つぎに、ノイズキャンセル回路の構成と動作を、図８に示すタイミングチャートに従って、説明する。
【０００８】
まず、固体撮像素子の選択のため、選択信号線６−１にパルス１０１を印加することによって、増幅トランジスタ２−１−１，２−１−２，…の行を活性化させる。このとき、フォトダイオード１−１−１，１−１−２，…に蓄積された信号電荷に対応した、出力信号電圧が垂直信号線８（８−１，８−２，…）に読み出される。セルを活性化しているパルスが“Ｈ”レベル（パルス１０１）の間にクランプトランジスタ１１（１１−１，１１−２，…）のゲートに“Ｈ”電圧（パルス１０２）を印加し、垂直信号線１５（１５−１，１５−２，…）を、クランプ電圧２４にクランプする。
【０００９】
その後、リセット信号線７（７−１，７−２，…）に“Ｈ”の電圧（パルス１０４）を印加することで、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）のカソード電圧をリセットする。このリセット時の電圧は、垂直信号線８（８−１，８−２，…）に現れるので、この電圧をクランプ容量１０（１０−１，１０−２，…）で垂直信号線１５（１５−１，１５−２，…）に伝達する。
【００１０】
次いで、サンプル・ホールドトランジスタ１２（１２−１，１２−２，…）をＯＮすることにより、垂直信号線１６（１６−１，１６−２，…）に信号を伝達する。そして、水平シフトレジスタ１９からの選択パルス１０５，１０６，…が、水平選択トランジスタ１４（１４−１，１４−２，…）に順次選択されることで、選択行の信号が読み出される。
【００１１】
つまり、クランプ回路によってノイズ成分をキャンセルするノイズキャンセル回路を持っていると、信号がフォトダイオード１に存在するときは、行のラインは全てクランプ電圧２４に設定され、フォトダイオード１をリセットした後の垂直信号線８の電圧変化のみを、垂直信号線１６に取り出せるので、増幅トランジスタ２のしきい値ばらつきの影響を抑圧することができる。
【００１２】
また、別の従来例として、図９に示すものがある。このタイミングチャートを図１０に示す。図９の構成図は各セル内に配置されたフォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）、増幅トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）、選択トランジスタ３（３−１−１，３−１−２，…）、リセットトランジスタ４（４−１−１，４−１−２，…）や垂直信号線８（８−１，８−２，…）に接続された負荷トランジスタ９（９−１，９−２，…）などの配置は上述の図７と同様である。図９における従来例でもノイズキャンセル動作を行い、図１０のタイミングチャートも交えて、その動作について説明する。
【００１３】
まず、選択信号線６−１にパルス１０１を印加することにより増幅トランジスタ２−１−１，２−１−２，…の行を活性化させる。このときフォトダイオード１−１−１，１−１−２，…に蓄積された信号電荷に対応した出力信号電圧が垂直信号線８（８−１，８−２，…）に伝えられる。セルを活性化しているパルス１０１が“Ｈ”レベルの間に、転送スイッチ１１（１１−１，１１−２，…）のゲートを駆動するライン２２を“Ｈ”レベルにし（パルス１０２）、サンプル・ホールド容量１０（１０−１，１０−２，…）に信号電圧を伝達する。その後、リセット信号線７−１に“Ｈ”の電圧（パルス１０３）を印加することで、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）の電圧をリセットする。このリセット電圧は垂直信号線８（８−１，８−２，…）に現れるので、パルス１０４が“Ｈ”レベルの後に、転送スイッチ１２（１２−１，１２−２，…）のゲートを駆動するライン２３を“Ｈ”レベルにし（パルス１０４）、ホールド容量１４（１４−１，１４−２，…）にリセット電圧を伝達する。
【００１４】
次に、水平シフトレジスタ１９からの選択パルス１０５，１０６が水平選択トランジスタ１３（１３−１，１３−２，…）に印加されることで、選択された垂直信号線８の信号電圧とリセット電圧がそれぞれ信号水平線１７、リセット水平線１８に伝達される。信号水平線１７とリセット水平線１８がその反転・非反転の差動入力に接続された差動増幅器２０によって、前記信号電圧とリセット電圧の差分の電圧が、出力端子２１に出力されることで、信号成分だけを出力して、ノイズキャンセルが行われる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記２つの従来例ともセンサーからの出力を共通信号線（図７の場合は水平出力線１７、図９の場合は１７と１８）に転送する際、上記共通信号線には、図７の場合は１４−１，１４−２，１４−３、図９の場合は１３−１，１３−２，１３−３,１３−４，１３−５，１３−６に示した転送スイッチに付随する寄生容量（例えば、トランジスタのソース／ドレイン−バルク間のＰＮ接合容量）が存在する（その合算した容量値を以降Ｃh と呼ぶ）ため、ホールド容量（図７の場合は１３−１，１３−２，１３−３、図９の場合は１０−１，１０−２，１０−３,１０−４，１０−５，１０−６）と、前記Ｃh とで信号電荷が分配され、電圧のゲインがＣT ／（ＣT ＋Ｃh ）（ここで、ＣT は前記ホールド容量の値とする）に低下してしまうという欠点があった。また、このＣT の値は前記ゲインを低下させないためにも、また転送スイッチ（図７では１２−１，１２−２，１２−３）のチャネルで発生するランダムノイズを低減するためにも小さくはできず、さらに、ホールド容量ＣT を大きくするためには、ＩＣにおける占有面積は無視できないものとなり、さらに高画素にするため垂直信号線の数が増すほどホールド容量の素子数も増えるため影響が大きくなるという問題があった。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を垂直信号線に伝送するスイッチ手段とからなる光電変換素子を備え、前記垂直信号線がインピーダンス変換手段の入力端子に接続され、該インピーダンス変換手段の出力端子がクランプ手段及び直列に接続された第１のスイッチ手段を経て共通水平信号線に接続され、前記光電変換手段において形成された信号電荷に応じた信号電圧を前記垂直信号線、前記インピーダンス変換手段、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する固体撮像装置において、前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段で発生した信号電荷、もしくは該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第２のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで、前記クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段がリセット状態にある時、もしくは前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に前記第１のスイッチ手段をＯＮすることで、前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧と、該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段と第１のスイッチ手段を介して共通水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、前記共通水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子の信号電圧、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧を印加し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第２のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで該クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時、前記第１のスイッチ手段をＯＮすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段、第１のスイッチ手段を順次介して水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第１のスイッチ手段を順次経て前記水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が第２のスイッチと第３のスイッチに接続された帰還容量の他端と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続された第４のスイッチの他端とに接続し、前記第２のスイッチのもう一端は該差動増幅器の出力端子接続し、前記第３のスイッチのもう一端には基準電圧源に接続し、前記差動増幅器の正極入力端子に前記基準電圧源を接続し、前記垂直信号線に前記増幅型光電変換素子の信号電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に、前記第１のスイッチと第３のスイッチと第４のスイッチをＯＮし、前記第２のスイッチはＯＦＦすることで前記差動増幅器を電圧フォロワーの構成となるようにし、前記基準電圧源の電圧と前記差動増幅器の入力換算されたオフセット電圧を印加し、前記帰還容量の端子間に前記差動増幅器の入力換算オフセット電圧が印加されるようにし、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端にその電圧が印加されている時、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチをＯＮし、前記第３のスイッチと前記第４のスイッチをＯＦＦすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧の差電圧に応じた電荷を前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力し、該差動増幅器の前記入力換算オフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
（１）構成の説明
図１は本発明に係る第１の実施形態を示す固体撮像装置のブロック回路図であり、ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでは簡略化のためにセンサーセルが３行３列に２次元に配置されたものを示している。現実には、６４０×４４０画素或いは、２２００×１５００画素等の高密度・高解像度の固体撮像素子によるセンサーセルが配置される。
【００３１】
各センサーセルは、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）、信号転送トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，…）から構成され、フォトダイオード１で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ２を介して垂直信号線８（８−１，８−２，…）に信号電圧として伝えられる。垂直信号線８には、リセットトランジスタ１３（１３−１，１３−２，…）とソースフォロワー回路を形成するトランジスタ１４（１４−１，１４−２，…）のゲートが接続され、トランジスタ１４のソースには負荷トランジスタ９（９−１，９−２，…）が接続されている。
【００３２】
ソースフォロワー回路を形成するトランジスタ１４のソースに現われる信号電圧は、クランプ容量１０（１０−１，１０−２，…）と、水平転送トランジスタ１２（１２−１，１２−２，…）とを介して、共通水平信号線１３へと伝えられる。
【００３３】
また、増幅器２０は差動増幅器であり、非反転入力端子には端子２１の電位が印加され、反転入力端子には水平信号線１３が接続され、固体撮像素子の受光電荷に応じた信号電荷が逐次読み出され、増幅されて出力端子２８に出力される。また、反転入力端子と増幅器２０の出力間に帰還容量２３が接続され、並列にリセットトランジスタ（リセットスイッチ）２４が接続され、リセットトランジスタ２４がオンすることで、帰還容量２３を放電・リセットする。このリセットトランジスタ２４のゲート端子２６を“Ｈ”レベルにしてリセットする。
【００３４】
また、水平シフトレジスタ１９からの選択パルスによって水平選択トランジスタ１２が順次ＯＮすることによって、各垂直信号線８の電圧がソースフォロワー回路１４とクランプ容量１０、水平選択トランジスタ１２を介して水平信号線１３に読み出される。
【００３５】
（２）動作の説明
以下、タイミングチャートの図２を交えて、本固体撮像装置の動作について説明する。垂直信号線８は垂直シフトレジスタ５からのライン２７を“Ｈ”レベルにする（パルス１０１）ことにより、リセットしておく。選択信号線６−１を“Ｈ”レベルにし（パルス１０２）、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，１−１−３）に蓄積された信号電荷が信号転送トランジスタ２を通して、垂直信号線８（８−１，８−２，８−３）に読み出され、その電荷量に応じた信号電圧がソースフォロワー回路１４（１４−１，１４−２，１４−３）の出力に現われ、クランプ容量１０（１０−１，１０−２，１０−３）の一端にも印加される。この読み出し電圧をＶS とする。次いで、端子２１が“Ｈ”レベルになり（パルス１０３）、クランプ容量１０のもう一端に基準電圧（以降、ＶR と称する）が印加される。したがってクランプ容量１０には電荷Ｑ10 として、
Ｑ10＝Ｃ10×（Ｖs −ＶR ）  ……（１）
ただし、Ｃ10はクランプ容量１０の容量値
が蓄えられる。その後、リセット信号線７−１を“Ｈ”レベルにし、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，３−１−３）をＯＮさせ（パルス１０４）、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，１−１−３）をリセットし、次いで選択信号線６−１をＨｉレベルにし（パルス１０５）、フォトダイオード１をリセットした時の電圧が垂直信号線８に読み出され、ソースフォロワー回路１４（１４−１，１４−２，１４−３）を介してクランプ容量の一端にフォトダイオード１をリセットした場合の電圧（この電圧をＶN とする）が印加される。この時ほぼ同時期に増幅器２０の出力と（−）入力端子との間に接続された帰還容量２３を、端子２６を“Ｈ”レベルにし（パルス１０６）、リセットトランジスタ２４をＯＮさせることでリセットしておく。
【００３６】
その後、水平レジスタ１９からの選択パルス１０７，１０９，１１１によって水平選択トランジスタ１２（１２−１，１２−２，１２−３）が順次ＯＮすることによって、各垂直信号線８の電圧がソースフォロワー回路１４を介して水平信号線１３に読み出される。
【００３７】
クランプ容量１０の一端に電圧ＶN が印加され、水平選択スイッチ１２がＯＮすると、水平信号線１３の電位は増幅器２０の負帰還作用により、増幅器２０の非反転（＋）入力端子に与えられている基準電圧ＶR に等しい値になるため、クランプ容量１０の端子間電圧は（ＶN −ＶR ）となり、したがって蓄えられる電荷Ｑ10は
Ｑ10＝Ｃ10×（ＶN −ＶR ）    ……（２）
となる。水平選択スイッチ１２のＯＦＦ→ＯＮにおけるクランプ容量１０の電荷の変化分ΔＱ10 、
ΔＱ10＝Ｃ10×（ＶS −ＶR ）−Ｃ10×（ＶN −ＶR ）
＝Ｃ10×（ＶS − ＶN ）                  ……（３）
は、負帰還容量２３へ移動し、したがって負帰還容量２３の端子間電圧Ｖ20は、
Ｖ20＝Ｃ10／Ｃ23×（ＶS − ＶN ）    ……（４）
ここで、Ｃ23は負帰還容量２３の容量値
になる。負帰還容量２３の一端は増幅器２０の反転（−）入力端子に接続され、その電位は前述したように基準電圧ＶR となるので、増幅器２０の出力電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶR ＋Ｃ10／Ｃ23×（ＶS −ＶN ）  ……（５）
となる。
【００３８】
以上に説明したように、各垂直信号線８毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の１個の不帰還容量２３によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのＩＣにおける占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのＩＣの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【００３９】
したがって、垂直信号線にその一端が接続されたクランプ容量の他端を、第１、第２のスイッチ手段のそれぞれの一端を接続し、第１のスイッチ手段の他端は基準となる電圧源に、第２のスイッチ手段の他端を差動増幅器の（−）入力端子に接続する。差動増幅器２０の（＋）入力端子は、ノイズ成分の基準電圧が印加され、（−）入力端子と該差動増幅器の出力端子との間には不帰還容量２３が接続され、垂直信号線にリセット電圧が現われている時だけ、第１のスイッチ手段をＯＮさせ、クランプ容量１０の端子間には（リセット電圧）−（基準電圧）が与えられ、次いで垂直信号線に信号電圧が現われた時に第１のスイッチ手段はＯＦＦ、第２のスイッチをＯＮさせることで、差動増幅器の出力端子と（−）入力端子との間に接続された負帰還容量２３には（信号電圧）−（リセット電圧）に応じた電荷が蓄えられ、その結果、前記差動増幅器の出力端子には（信号電圧）−（リセット電圧）＋（基準電圧）に応じた出力電圧が現われ、ホールド容量は必要とせず、従来例にあったようなホールド容量と水平信号線に付随する寄生容量との間で発生する電荷の分配による、信号電圧ゲインの低下は生じないという効果がある。
【００４０】
（第２の実施形態）
図３は本発明に係る第２の実施形態を示すブロック回路図であり、図１と同様、ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでも、簡略化のために、センサーセルが３行３列に２次元に配置されたものを示しているが、より多画素のセンサーの場合も動作は変わらない。
【００４１】
各固体撮像素子のセンサーセルは、第１の実施形態と異なり、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）、信号転送トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，…）、増幅トランジスタ４（４−１−１，４−１−２，…）、選択トランジスタ５（５−１−１，５−１−２，…）から構成され、フォトダイオード１で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ２を介して増幅トランジスタ４のゲートに伝えられる。増幅トランジスタ４は負荷トランジスタ９（９−１，９−２，９−３）とともにソースフォロワー回路を形成し、その出力は各垂直信号線８（８−１，８−２，８−３）に接続されているので、増幅トランジスタ４のゲートに伝えられた信号電荷量に応じた電圧が垂直信号線８に現われる。
【００４２】
垂直信号線８には、クランプ容量１０（１０−１，１０−２，１０−３）の一端が接続され、もう一端には水平転送トランジスタ１２（１２−１，１２−２，１２−３）が接続されており、垂直信号線８に現われる電圧はクランプ容量１０、水平転送トランジスタ１２を介して共通水平信号線１３へ伝えられる。
【００４３】
以下、タイミングチャート図４を交えて、第２の実施形態について、固体撮像装置におけるブロック回路図の図３の動作をさらに説明する。
【００４４】
まず、選択信号線１３−１を“Ｈ”レベルにする（パルス１０１）ことによりセル内の選択トランジスタ５（５−１−１，５−１−２，５−１−３）がＯＮし、増幅トランジスタ４（４−１−１，４−１−２，４−１−３）が活性化する。次いで、転送信号線７−１を“Ｈ”レベルにし（パルス１０２）、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，１−１−３）に蓄積された信号電荷が増幅トランジスタ４のゲートに転送され、その電荷量に応じた信号電圧が垂直信号線８に現われ、同時にクランプ容量１０の一端にその電圧が印加される（以降、この電圧をＶS とする）。次いで、端子２２を“Ｈ”レベルにする（パルス１０３）ことで、リセットトランジスタ１１（１１−１，１１−２，１１−３）がＯＮし、前記クランプ容量のもう一端に端子２１に与えられている基準電圧ＶR が印加される。
【００４５】
したがって、この時、クランプ容量１０の端子間電圧は（ＶS −ＶR ）になり、よってクランプ容量１０に蓄えられる電荷Ｑ10は、
Ｑ10＝Ｃ10×（ＶS −ＶR ）  ……（６）
ただし、Ｃ10はクランプ容量１０の容量値
となる。その後、リセット信号線６−１を“Ｈ”レベルにし（パルス１０４）、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，３−１−３）がＯＮすると、増幅トランジスタ４のゲートはリセット電位になり、その電圧に応じた電圧が垂直信号線８に現われる。以降、これをＶN とする。
【００４６】
この電圧ＶN はクランプ容量１０の一端にも印加される。この後、増幅器２０の出力と反転（−）入力端子との間に接続された帰還容量２３を、端子２６を“Ｈ”レベルにし（パルス１０５）、リセットトランジスタ２４をＯＮさせてリセットしておく。前記のように、クランプ容量１０の一端に電圧ＶN が印加されているところで、水平レジスタによる水平選択パルス１０６によって水平転送スイッチ１２−１がＯＮするが、この時水平信号線１４は、増幅器２０の反転（−）入力端子に接続されており、増幅器２０の負帰還作用により非反転（＋）入力端子電圧ＶR に等しい値になっているため、クランプ容量１０の端子間電圧は（ＶN −ＶR ）となり、したがってその電荷Ｑ10Nは
Ｑ10N＝Ｃ10×（ＶN −ＶR ）  ……（７）
となる。この後は、実施形態１の動作と全く同様で、最終的に負帰還容量２３の端子間電圧Ｖ23 は、
Ｖ23 ＝Ｃ10／Ｃ23×（ＶS − ＶN ）  ……（８）
になり、増幅器２０の出力電圧は
ＶOUT ＝ＶR ＋Ｃ10／Ｃ23×（ＶS −ＶN ）  ……（９）
となる。
【００４７】
以上に説明したように、第１の実施形態と同様に、従来例にあるような各垂直信号線８毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の１個の不帰還容量２３によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのＩＣにおける占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのＩＣの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【００４８】
（第３の実施形態）
図５は本発明に係る第３の実施形態を示す固体撮像装置のブロック回路図であり、図１と同様、ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでも、簡略化のため固体撮像素子からなるセンサーセルが３行３列に２次元的に配置されたものを示しているが、より多画素のセンサーの場合も動作は変わらない。
【００４９】
各センサーセルは、第２の実施形態と同様で、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，…）、信号転送トランジスタ２（２−１−１，２−１−２，…）、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，…）、増幅トランジスタ４（４−１−１，４−１−２，…）、選択トランジスタ５（５−１−１，５−１−２，…）から構成される。フォトダイオード１で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ２を介して増幅トランジスタ４のゲートに伝えられる。増幅トランジスタ４は負荷トランジスタ９（９−１，９−２，９−３）とともに、ソースフォロワー回路を形成し、その出力は垂直信号線８（８−１，８−２，８−３）に接続されているので、増幅トランジスタ４のゲートに伝えられた信号電荷量に応じた電圧が、選択トランジスタ５がＯＮした画素から垂直信号線８に伝えられる。
【００５０】
垂直信号線８には、クランプ容量１０（１０−１，１０−２，１０−３）の一端が接続され、もう一端には水平転送トランジスタ１２（１２−１，１２−２，１２−３）が接続されており、垂直信号線８に現われる電圧は、クランプ容量１０を介し、ＯＮした水平転送トランジスタ１２を経て、共通水平信号線１４へ伝えられる。以下、タイミングチャート図６を交えて、第３の実施形態の図５の動作をさらに説明する。
【００５１】
まず、垂直レジスタ５からの制御パルスにより、選択信号線１３−１を“Ｈ”レベルにする（パルス１０１）ことにより、セル内の選択トランジスタ５（５−１−１，５−１−２，５−１−３）がＯＮし、増幅トランジスタ４（４−１−１，４−１−２，４−１−３）が活性化する。次いで、転送信号線７−１を“Ｈ”レベルにし（パルス１０２）、フォトダイオード１（１−１−１，１−１−２，１−１−３）に蓄積された信号電荷が増幅トランジスタ４のゲートに転送され、その電荷量に応じた信号電圧が垂直信号線８に現われる。以降、この電圧をＶS とする。
【００５２】
その時、同時に出力アンプ部に相当する差動増幅器２０の反転入力端子と出力間のスイッチ端子２５と端子２３を“Ｈ”レベルに（パルス１０３，１０４）、端子２２を“Ｌ”レベルとし、スイッチ１５，１７はＯＮ、スイッチ１６をＯＦＦとし、さらに水平レジスタ１９の出力をすべて“Ｈ”レベルにして（パルス１０６，１０７，１０８）、水平転送スイッチ１２（１２−１，１２−２，１２−３）をＯＮすることで、増幅器２０はボルテージフォロワーの構成になるので、水平信号線１４には増幅器２０の出力電圧が現れる。ここで、仮定として、増幅器２０はその入力換算でＶoff というオフセット電圧を有しているとすると、増幅器２０の非反転の正極端子には、端子２１から基準電圧ＶR が印加されており、水平信号線１４の電圧は、（ＶR ＋Ｖoff ）になり、また水平転送スイッチ１２は全てＯＮしているので、前記クランプ容量１０の一端にその電圧が印加される。またこの時、スイッチ１７がＯＮしているので、負帰還容量１８の両端子間にＶoff という電圧が印加される。
【００５３】
したがって、負帰還容量１８に蓄積される電荷Ｑ18は
Ｑ18＝Ｃ18×Ｖoff      ……（１０）
ただし、増幅器２０の負極入力端子側が（＋）電荷の極性であり、
Ｃ18：容量１８の容量値
となる。また、クランプ容量１０に蓄積される電荷Ｑ10は
Ｑ10＝Ｃ10×（ＶR ＋Ｖoff −ＶS ）  ……（１１）
ただし、水平転送スイッチ側端子が（＋）電荷
Ｃ10：クランプ容量１０の容量値
となる。その後、リセット信号線６−１を“Ｈ”レベルにし（パルス１０９）、リセットトランジスタ３（３−１−１，３−１−２，３−１−３）がＯＮすると、増幅トランジスタ４のゲートはリセット電位になり、その電位に応じた電圧が垂直信号線８に現われる。以降、この電圧をＶN とする。この電圧ＶN はクランプ容量１０の一端にも印加される。この時、同時に端子２３，２５は“Ｌ”レベルに、端子２２を“Ｈ”レベルに（パルス１１０）することで、スイッチ１６がＯＮするので、負帰還容量１８の両端子は増幅器の負極入力端子と出力端子に接続される。この後水平レジスタにより水平転送スイッチ１２を順次ＯＮさせる（パルス１１１，１１２，１１３）とクランプ容量の一端は水平転送スイッチ１２を介して増幅器２０の負帰還作用により（ＶR ＋Ｖoff ）という電圧になるため、クランプ容量１０の端子間電圧は（ＶR ＋Ｖoff −ＶN ）となり、したがって、その電荷は、
Ｑ10＝Ｃ10×（ＶR ＋Ｖoff −ＶN ）  ……（１２）
になるが、このクランプ容量１０に蓄えられる電荷の変化分ΔＱ10 は、
ΔＱ10＝Ｃ10×（ＶR ＋Ｖoff −ＶS ）−Ｃ10×（ＶR ＋Ｖoff −ＶN ）
＝Ｃ10×（ＶN −ＶS ）                           ……（１２）
は、負帰還容量１８に移動することになる。負帰還容量１８には、以前から前述したように、
Ｑ18＝Ｃ18×Ｖoff    ……（１０）
という電荷がされていたので、結局、負帰還容量１８には
Ｑ18＝Ｃ10×（ＶN −ＶS ）＋Ｃ18×Ｖoff   ……（１３）
ただし、増幅器２０の負極入力端子側が（＋）電荷の極性である。
という電荷が蓄積される。増幅器２０の出力端子の電圧は、負極端子電圧に容量１８の端子間電圧を足したものになるので、増幅器２０の出力電圧Ｖout は最終的に
Ｖout ＝（ＶR ＋Ｖoff ）−１／Ｃ18｛Ｃ10×（ＶN −ＶS ）＋Ｃ18×Ｖoff ｝
＝ＶR ＋Ｃ10／Ｃ18×（ＶS −ＶN ）                  ……（１４）
となる。以上のように、増幅器２０の出力には、オフセット電圧Ｖoff がキャンセルされることが解る。また、この第３の実施形態では、第１、第２の実施形態において必要であった、各クランプ容量毎のリセットスイッチを削除できるという利点と、増幅器２０のもつ１／ｆノイズをある程度除去（低周波成分のみ）できるという利点をもっている。またさらに、前記クランプ容量毎に必要であったリセットスイッチを構成するＭＯＳトランジスタのＯＦＦする時に、そのゲート電荷がそのソース／ドレイン端子から放出されることによるホールドステップが、各リセットスイッチＭＯＳトランジスタの製造上のバラツキによって変動する要素もなくしている利点もある。
【００５４】
以上に説明したように、第１、第２の実施形態と同様に、各垂直信号線８毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の１個の不帰還容量２３によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのＩＣにおけるノイズ除去手段のための占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのＩＣの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【００５５】
以上説明したように、第１〜第３の実施形態によれば、センサーセルの信号を出力増幅器まで転送する過程で、従来必要としていたサンプル／ホールド容量を不要とし、またホールド容量から共通水平信号線へ信号を転送する際に生じていた信号電圧ゲインの低下をなくし、ＳＮ比を大幅に向上させるという効果がある。また本発明の実施形態における増幅器の出力電圧の式
ＶR ＋Ｃ10／Ｃ23×（ＶS −ＶN ）  ……（１５）
から明らかなように、出力電圧に依存する回路定数はＣ10とＣ23の比だけであるので、本撮像装置を半導体集積回路で構成すれば、前記出力電圧のバラツキを従来より小さくできるとともに、本固体撮像装置をＩＣ化した場合のノイズ除去手段のための専有面積を小さくできる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、固体撮像装置の小型化を図れると共に、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図２】本発明による図１におけるタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による図タイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態におけるタイミングチャートである。
【図７】従来例１による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図８】従来例１におけるタイミングチャートである。
【図９】従来例２による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図１０】従来例２におけるタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  フォトダイオード
２  増幅トランジスタ
３  リセットスイッチ
４  増幅スイッチ
５  垂直シフトレジスタ
８  垂直出力線
９  リセットスイッチ
１０  クランプ容量
１１  転送トランジスタ
１２  転送トランジスタ
１４  水平信号線
１５  スイッチ
１８  負帰還容量
２０  出力アンプ
２４  スイッチトランジスタ
２８  出力端子
【図１】
0004441042.tif 000002
【図２】
0004441042.tif 000003
【図３】
0004441042.tif 000004
【図４】
0004441042.tif 000005
【図５】
0004441042.tif 000006
【図６】
0004441042.tif 000007
【図７】
0004441042.tif 000008
【図８】
0004441042.tif 000009
【図９】
0004441042.tif 000010
【図１０】
0004441042.tif 000011